- Núcleo de Modelagem Ambiental (NUMA)

Transcrição

COPPE/UFRJ
CONSTRUÇÃO DE UM VISUALIZADOR PARA SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS
AMBIENTAIS
Renan Leser de Medeiros
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Mestre em Engenharia Civil.
Orientadores: Luiz Landau
Luiz Paulo de Freitas Assad
Rio de Janeiro
Agosto de 2010
i
AMBIENTAIS
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Luiz Landau, D. Sc.
________________________________________________
Dr. Luiz Paulo de Freitas Assad, D. Sc.
________________________________________________
Prof. Gerson Gomes Cunha, D. Sc.
________________________________________________
Prof. José Luis Drummond Alves, D. Sc.
________________________________________________
Prof. Marcus Vinicius Dohmann Brandão, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2010
ii
Medeiros, Renan Leser de
Construção de um Visualizador para Simulações
Computacionais Ambientais / Renan Leser de Medeiros –
Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2010.
XI, 90 p.: il.; 29,7 cm.
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa
de Engenharia Civil, 2010.
Referencias Bibliográficas: p. 86-90.
1. Visualização Científica. 2. Modelagem
Computacional Ambiental. 3. Computação Gráfica. I.
Landau, Luiz, et al. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título
iii
"Believe you can, believe you can't, either way you're right"
(Acredite que você pode. Ou não. De qualquer forma, no final você estará certo.)
Sebastien Legrain
iv
Dedico este trabalho à minha mãe, Isaura, por ter sempre incentivado meus estudos,
principalmente o ingresso no mestrado, à Carol, minha namorada e seus pais Celso e Lúcia
pelo apoio incondicional nos momentos difíceis e à minha avó Nair e meu irmão Rafael,
pelos bons conselhos.
v
Agradeço ao meu orientador Luiz Landau por acreditar na minha pessoa, pela oportunidade
de trabalhar, estudar, crescer profissionalmente e desenvolver este trabalho no âmbito do
LAMCE. Serei eternamente grato.
Agradeço ao meu orientador do NUMA, Luiz Paulo Assad, pela amizade, orientação e
paciência ao longo da elaboração deste trabalho.
Agradeço ao professor Gerson Gomes Cunha, por todas as aulas ministradas e
conhecimento compartilhado, que tornou este trabalho possível.
Agradeço mais uma vez a minha namorada, Carolina, por ter sempre me incentivado a não
desistir dos desafios que surgiram.
Agradeço novamente a minha mãe, Isaura, por ter acreditado e investido na minha
formação acadêmica.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AMBIENTAIS
Agosto / 2010
Programa: Engenharia Civil
O crescente desenvolvimento das atividades ligadas à Indústria do Petróleo e Gás no
Brasil vem demandando um maior nível de detalhamento na análise e gerenciamento de
resultados gerados por modelos computacionais ambientais. Tal demanda exige o acesso a
um enorme volume de dados em plataformas computacionais que facilitem a interação com
o usuário final responsável pela tomada de decisões. Este trabalho tem como propósito o
desenvolvimento de uma metodologia para criação de gráficos tridimensionais interativos de
visualização científica com capacidade de armazenamento de campos de variáveis
prognósticas obtidas a partir da aplicação de modelos computacionais ambientais,
atmosféricos, hidrodinâmicos - marinhos e fluviais -
e de dispersão de poluentes, em
diferentes escalas espaciais e temporais.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
DEVELOPMENT OF AN ENVIRONMENTAL COMPUTATIONAL SIMULATIONS
VISUALIZER
August / 2010
Advisors: Luiz Landau
Department: Civil Engineering
The urging developments of activities from the Oil and Gas Industry from Brazil have
been demanding a higher level of detail in the interpretation of space and time distributions
of prognostic variables from environment computational models. This demand requires the
access to a huge volume of data in such a way that make it easier the interaction between
the final user responsible to decision making and the data. The following work has the aim to
develop a methodology for interactive tridimensional figures built from scientific data, able to
store prognostic variable fields obtained from environmental, atmospheric, hydrodynamic marine and fluvial - and oil dispersion computational models, with different time variations
and scale.
viii
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ------------------------------------------------------------------------------ 1
1.1 – Introdução--------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.2 – Definição do Problema-----------------------------------------------------------------------------------2
1.3 – Motivação ---------------------------------------------------------------------------------------------------3
1.4 – Objetivo ------------------------------------------------------------------------------------------------------3
1.5 – Objetivo Específico ---------------------------------------------------------------------------------------3
1.6 – Relevância e Justificativa -------------------------------------------------------------------------------4
1.7 – A Concepção do Projeto --------------------------------------------------------------------------------4
1.8 – Composição do Sistema---------------------------------------------------------------------------------4
1.9 – Atividades----------------------------------------------------------------------------------------------------5
1.9.1 – Requisitos Básicos -----------------------------------------------------------------------------------5
1.9.2 – Resultados Esperados ------------------------------------------------------------------------------5
1.10
– Organização da Dissertação ----------------------------------------------------------------------5
CAPÍTULO 2 – ESTADO DA ARTE ------------------------------------------------------------------------7
2.1 –Introdução----------------------------------------------------------------------------------------------------7
2.2 –Paraview e Ensight-----------------------------------------------------------------------------------------7
2.3 – Visualização Interativa na Internet-------------------------------------------------------------------10
CAPÍTULO 3 – TESTES PRELIMINARES---------------------------------------------------------------15
3.1 – O Google Earth como repositório de dados científicos-----------------------------------------15
3.2 – O Papervision3D-----------------------------------------------------------------------------------------17
3.3 –Unity3D------------------------------------------------------------------------------------------------------18
3.4 –Quest3D----------------------------------------------------------------------------------------------------21
CAPÍTULO 4 – FERRAMENTAS E DISPOSITIVOS-------------------------------------------------23
4.1 – Introdução -------------------------------------------------------------------------------------------------23
4.2 – Modelagem Computacional Ambiental ------------------------------------------------------------23
4.3 – Linguagem FORTRAN ---------------------------------------------------------------------------------24
4.4 – VTK – Visualization Tool Kit --------------------------------------------------------------------------25
4.5 – Kitware Paraview ----------------------------------------------------------------------------------------26
ix
4.6 – VRML -------------------------------------------------------------------------------------------------------27
4.7 – Deep Exploration ----------------------------------------------------------------------------------------28
4.8 – 3Ds Max ---------------------------------------------------------------------------------------------------29
4.9 - ZBrush -----------------------------------------------------------------------------------------------------30
4.10 – Adobe After Effects -----------------------------------------------------------------------------------31
4.11 – Adobe Photoshop -------------------------------------------------------------------------------------32
4.12 – Formato COLLADA -----------------------------------------------------------------------------------33
4.13 – Quest3D--------------------------------------------------------------------------------------------------34
4.14– Periféricos Utilizados nesta Plataforma -----------------------------------------------------------34
4.14.1 – TV 42” PANASONIC TOUCH SCREEN ---------------------------------------------34
4.14.1.1 – Especificação Técnica------------------------------------------------------------------36
4.14.2 – Controle sem fio para PS2 LEADERSHIP ------------------------------------------37
4.14.2.1 – Especificação Técnica -----------------------------------------------------------------37
CAPÍTULO 5 – CONSTRUÇÃO DO VISUALIZADOR------------------------------------------------39
5.1 – Introdução -------------------------------------------------------------------------------------------------39
5.2 – Resultados de Modelos Computacionais Ambientais ------------------------------------------39
5.3 – Conversão para a linguagem VTK -----------------------------------------------------------------40
5.4 – Entrada no Programa Paraview ---------------------------------------------------------------------41
5.5 – Criação de Texturas Animadas ----------------------------------------------------------------------42
5.6 - Entrada no programa Deep Exploration -----------------------------------------------------------43
5.7 – Configuração no 3Ds Max-----------------------------------------------------------------------------44
5.8 - Redução de Polígonos e UVlayout no programa ZBrush ------------------------------------45
5.9 - Projeção de mapas no 3Ds Max ---------------------------------------------------------------------51
5.10 – Entrada no programa Quest3d ---------------------------------------------------------------------54
5.10.1 - Resumo básico do funcionamento do Quest3D------------------------------------54
5.10.2 – Importando as geometrias e texturas ------------------------------------------------56
5.10.3 – Configuração de Câmeras --------------------------------------------------------------58
5.10.4 – Aplicação de Texturas e Shaders -----------------------------------------------------60
5.10.5 – Configuração de dispositivos de entrada e saída de dados --------------------61
5.10.6 – Criação de Executável para Plataformas PC e Publicação Online------------62
5.11 – Design da Interface -----------------------------------------------------------------------------------65
5.11.1 – Introdução -----------------------------------------------------------------------------------65
5.11.2 – Primeiro Layout ----------------------------------------------------------------------------65
5.11.3 – Segundo Layout ---------------------------------------------------------------------------66
5.11.4 – Redesign da Interface---------------------------------------------------------------------67
x
CAPÍTULO 6 – RESULTADOS -----------------------------------------------------------------------------72
6.1 – Introdução -------------------------------------------------------------------------------------------------72
6.2 – Teste 1 -----------------------------------------------------------------------------------------------------72
6.3 – Teste 2 -----------------------------------------------------------------------------------------------------73
6.4 – Teste 3 -----------------------------------------------------------------------------------------------------73
CAPÍTULO 7 – CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS--------------------------------------75
7.1 – Conclusão -------------------------------------------------------------------------------------------------75
7.2 – Implementações Futuras ------------------------------------------------------------------------------75
APÊNDICE------------------------------------------------------------------------------------------------------77
Rotina em Fortran----------------------------------------------------------------------------------------------77
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ----------------------------------------------------------------------86
xi
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 – Introdução
O crescente desenvolvimento das atividades ligadas à Indústria do Petróleo e Gás
no Brasil trouxe consigo a necessidade da redução de riscos sócio-econômicos-ambientais
ocasionados por estas atividades. Neste sentido, projetos de pesquisa e desenvolvimento
multidisciplinares fomentados pela indústria vêm surgindo com o objetivo de suprir
demandas em diversas áreas do conhecimento. Um exemplo desses é o projeto PIATAM
(Projeto Inteligência Sócio Ambiental Estratégica da Indústria do Petróleo e Gás na
Amazônia), desenvolvido através da parceria entre a Financiadora de Estudos e Projetos
(FINEP) e a PETROBRAS. Este projeto conta com diversos grupos de pesquisa, nas mais
variadas áreas do conhecimento, como doenças tropicais, imunologia, sócio-economia,
solos, flora, modelagem ambiental, dentre outros. Uma das áreas de conhecimento
fundamentais para o gerenciamento ambiental e de riscos associados às atividades da
indústria de petróleo e gás natural é a modelagem ambiental. Pode-se pensar que o
desenvolvimento e aplicação de modelos que representam a dinâmica ambiental de uma
determinada região possam ser aplicados de duas formas básicas: operacional e
estratégica, onde um dos desafios é a criação de mecanismos que possam ser tanto
utilizados em estudos ambientais, quanto em programas de atendimento a situações
emergenciais de vazamento de óleo na atracação e transbordo de navios, encalhes de
balsas e etc., fazendo previsões numéricas da situação atmosférica (principalmente regime
de ventos), da hidrodinâmica do rio, da formação de ondas na região costeira e da
dispersão de constituintes no meio aquoso [1]. Estas previsões, geradas por modelos
computacionais ambientais, demandam um alto nível de detalhamento na sua visualização
e interpretação. Tal demanda exige o acesso a um enorme volume de dados em
plataformas computacionais que facilitem a interação com o usuário final responsável pela
tomada de decisões.
O presente trabalho visa reunir, em um ambiente interativo tridimensional,
resultados oriundos de modelos computacionais ambientais gerados no âmbito de projetos
apoiados tecnicamente pelo NUMA (Núcleo de Modelagem Ambiental do Laboratório de
Métodos Computacionais em Engenharia da UFRJ), como: o próprio PIATAM (acima citado)
e o PIATAM-MAR (Potenciais Impactos do Transporte de Petróleo e derivados na zona
costeira amazônica). Tais projetos têm como área de interesse regiões costeiras marinhas e
fluviais da Amazônia brasileira. Dentro dos objetivos gerais dos projetos citados, as
1
atividades do NUMA, têm como objetivo básico a implementação de modelos
computacionais ambientais (hidrodinâmicos fluviais e marinhos, atmosféricos e de dispersão
de poluentes) para apoiar o gerenciamento ambiental voltado para as atividades da
indústria do petróleo na Amazônia. Um ponto a ser destacado é a utilização de diferentes
escalas espaciais e temporais na realização da modelagem dos dados. Como por exemplo,
na modelagem hidrodinâmica marinha. Esta atividade vem sendo desenvolvida com o
objetivo de simular a hidrodinâmica de regiões da costa norte do Brasil, considerando-se a
influência de processos marinhos e atmosféricos de diferentes escalas espaciais e
temporais na dinâmica local. A modelagem realizada deve, portanto, contemplar
variabilidades espaciais e temporais existentes na circulação oceânica sobre a Plataforma
Continental Amazônica (PCA), na vazão dos rios, nas marés e na circulação atmosférica. A
estratégia utilizada envolve a utilização de três diferentes modelos hidrodinâmicos. Para a
modelagem da dinâmica marinha na região de interesse vem sendo utilizado um modelo
oceânico global, que fornece condições de contorno para um modelo oceânico de escala
regional. Este, por sua vez, fornece condições de contorno para o modelo de maior
resolução espacial e suficientemente grande para representar os principais aspectos
dinâmicos da circulação costeira nas regiões de interesse [1]. A ferramenta computacional
escolhida para pré-visualização dos dados gerados foi o Paraview. Tal escolha é justificada,
por exemplo, pela abertura do código computacional, imensa gama de formatos de entrada
e saída dos dados, facilidade na confecção de animações e pela possibilidade de utilização
de processamento paralelo para sua execução.
Através deste trabalho, o usuário poderá interagir com os dados de uma forma
muito mais interativa, devido à facilidade e riqueza em detalhes que uma visualização
tridimensional apresenta.
Neste
trabalho
serão
apresentados
resultados
obtidos
por
simulações
computacionais usando o modelo de circulação geral dos oceanos chamado Modular Ocean
Model [2] , o Princeton Ocean Model [3] e o NICOIL [4].
1.2 - Definição do Problema
As ferramentas existentes de visualização científica, como Paraview e Ensight não
possuem formatos de saída que permitam a visualização de seus dados fora de seus
programas base. Ambos os programas citados exportam em VRML, mas apenas modelos
estáticos, sem variação temporal e sem deformação de malha.
Neste contexto, o problema surge em como oferecer ferramentas que facilitem a
visualização em três dimensões destes dados, viabilizando resultados de modelos
computacionais ambientais complexos, com campos escalares e vetoriais, variáveis no
2
tempo, dentro de um ambiente tridimensional interativo e portátil. Com base nesses
requisitos, o presente trabalho foi proposto.
1.3 - Motivação
O NUMA possui um acervo com várias simulações de modelos computacionais
hidrodinâmicos - atmosféricos, oceânicos ou fluviais, porém, até o início da elaboração
deste trabalho, não possuía visualizações tridimensionais destas simulações.
Esta dissertação surgiu inicialmente como forma de agregar este conhecimento ao
Núcleo, gerando novas perspectivas de visualização para os resultados gerados, como por
exemplo o ângulo de visão do fundo do Rio Solimões, próximo à cidade de Coari, na
Amazônia, mostrando a trajetória que uma mancha de óleo simulada poderia trilhar no caso
de um acidente - informação crucial para a tomada de decisão no processo de Gestão
Ambiental e contenção da mancha de óleo.
Uma vez que diversos modelos tridimensionais foram criados, surgiu a
necessidade de montar um ambiente onde os usuários pudessem acessar e visualizar
esses dados. Tal necessidade foi fundamental para a definição do escopo deste trabalho.
Este trabalho cumpre também com o papel de normalizar o acesso ao conhecimento das
diferentes áreas em estudo : modelagem hidrodinâmica fluvial e marinha, atmosférica e de
dispersão de poluentes.
1.4 - Objetivo
O objetivo desta dissertação consiste em descrever a criação e funcionamento de
um visualizador tridimensional de dados científicos para acesso e visualização de campos
prognósticos tridimensionais de variáveis ambientais obtidas a partir da aplicação de
modelos computacionais ambientais.
1.5 - Objetivo Específico
Construir um ambiente interativo tridimensional que compile todas as visualizações
executadas pelo NUMA, tanto no âmbito de projetos como o PIATAM e o PIATAM-MAR
quanto as simulações destinadas a outras áreas geográficas, na escala global e regional.
Este trabalho prevê construir uma metodologia, que possa ser sempre aplicada a
fim de manter esse ambiente tridimensional atualizável pelos usuários do Núcleo (e por
outros membros da comunidade científica que se interessarem em contribuir para com o
visualizador) - deixando claro que deverão seguir a mesma metodologia para formatação
3
dos dados ou encaminhá-los ao NUMA para que o pesquisador responsável faça a
conversão.
1.6 - Relevância e Justificativa
Em Netto et al. [5], é citado o uso de um ambiente virtual como interface
tridimesional para manipulação de dados em redes de distribuição de energia elétrica, com
a finalidade de auxiliar a "tomada de decisão" em um sistema para redução de perda e
facilitar a interpretação (avaliação) das soluções propostas pelo sistema. O INFOPAE [6] da
Petrobrás é um sistema de Gerenciamento Ambiental bidimensional, baseado em séries de
dados relacionais, utilizando questionários e modelos de dados para gerar uma solução ágil
para acidentes ambientais.
Hoje, sistemas de simulação e prevenção tridimensionais já são uma realidade em
diversos setores (de produção). Eles reduzem riscos, oferecem treinamento de baixo custo
e auxiliam nos processos de tomada de decisão[7]. O presente trabalho tem como intenção
levar os simuladores ambientais um passo adiante ao inserir o processo de interação
usuário-máquina de uma forma imersiva e interativa.
Apesar de já existirem programas específicos para modelagem e visualização de
dados científicos, o foco deste trabalho é na saída de dados destes programas - como
transportar e visualizar estes dados fora dos programas específicos, sem necessidade de
instalação de plugins, mas mantendo a interação e a visualização de dados transientes.
1.7 - A Concepção do Projeto
O processo de construção deste visualizador teve início com a idéia de armazenar
resultados de modelos em escala espacial regional e global em uma única plataforma de
visualização tridimensional. Diferentes testes e versões foram criadas e avaliadas até a
construção da versão final aqui descrita.
1.8 - Composição do Sistema
Este sistema foi criado seguindo um processo de conversão, tratamento e
manipulação de resultados obtidos de modelos em escala espacial regional e global,
utilizando-se das últimas técnicas de Realidade Virtual e Computação Gráfica disponíveis, a
serem descritas nesta dissertação.
4
1.9 - Atividades
O referido trabalho consiste na criação de uma metodologia para visualização
científica tridimensional que contenha dados de modelagem global e regional, seguindo as
seguintes atividades:
• Pesquisa dos melhores formatos de Visualização Científica dentro do escopo
do projeto e dos dados gerados;
• Modelagem tridimensional dos dados;
• Conversão de arquivos para leitura em programas de modelagem 3D;
• Preparação para exibição Real-Time em placas de vídeo;
• Criação de interface gráfica e estudo de interação homem-máquina.
1.9.1 - Requisitos Básicos
O Visualizador deve proporcionar:
• Visualização
tridimensional
de
dados
científicos
transientes
e
não-
transientes;
• Facilidade de Interação;
• Uma base de dados para todas as simulações produzidas pelo NUMA.
1.9.2 - Resultados Esperados
Espera-se que no ato da conclusão desta dissertação, o produto gerado ofereça:
• Facilidade de interação, visualização e interpretação dos dados comparada a
visualização bidimensional;
• Disponibilização Online das visualizações desenvolvidas;
• Fundamentação de uma metodologia para que outros pesquisadores
alimentem o ambiente ou contribuam com seus dados para com o mesmo.
1.10 - Organização da Dissertação
O conteúdo deste trabalho está dividido e exemplificado nos 5 capítulos abaixo:
CAPÍTULO 1 - Introdução - apresenta os objetivos do presente trabalho;
CAPÍTULO 2 - Estado da Arte - análise prévia dos programas de visualização
científica e iniciativas semelhantes a este trabalho;
5
CAPÍTULO 3 - Testes Preliminares - exemplifica as técnicas e iniciativas realizadas
no início deste trabalho;
CAPÍTULO 4 - Ferramentas e Dispositivos - todo o conhecimento e programas
necessários para a construção da interface;
CAPÍTULO 5 - Construção do Visualizador - todos os passos da metodologia
utilizada;
CAPÍTULO 6 - Resultados - todos os resultados de testes de campo e finalização
da Interface.
CAPÍTULO 7 - Conclusão -conclusão sobre o trabalho realizado e implementações
futuras.
6
CAPÍTULO 2
ESTADO DA ARTE
2.1– Introdução
Neste capítulo serão descritas iniciativas semelhante ao trabalho proposto nesta
dissertação.
2.2– Paraview e Ensight
Os dois principais softwares presentes no mercado de visualização científica são o
Paraview e o Ensight.
O Paraview, como será descrito com mais detalhes nos próximos capítulos, tratase de um programa open-source, multi-plataforma para análise e visualização de dados. Ele
permite o tratamento dos dados utilizando-se de diversos filtros, além de permitir o
processamento em paralelo, algo extremamente necessário quando se trata de um grande
volume de dados para se processar.
Já o Ensight é um software de visualização científica comercial, onde o foco é a
separação dos dados em diversos pacotes, para fins de processamento paralelo. No
Ensight, toda a informação é associada em partes, e quase todas as ações são aplicadas à
essas partes.
Cada parte consiste em nós e elementos (elementos são um conjunto de nós
conectados em uma forma geométrica particular). Cada nó, que é compartilhado pelos
elementos adjacentes é definido por sua coordenada de localização no modelo.
No Ensight, é possível especificar informações adicionais para cada parte. Esses
atributos dizem ao programa como mostrar cada parte e como essa parte responde aos
comandos do programa. Dentre estes atributos, podemos destacar: coloração, visibilidade,
modo de exibição, elementos 3D e etc [8].
Assim como o Paraview, o Ensight importa diversos formatos, mas o grande ganho
em processamento particionado se dá quando os arquivos são escritos no formato padrão
do Ensight, o Ensight Gold.
Esse arquivo, inclusive, pode ser carregado em outros visualizadores, como o
próprio Paraview, para fins de processamento em paralelo.
Porém, o grande gargalo de ambos os programas é a exportação de dados.
O Paraview exporta nos seguintes formatos: .POV; .VRML; .X3D; .X3DB.
7
Figura 1 - Tela de exportação do Paraview.
O VRML é um dos formatos que exporta os dados de vertex color dos modelos,
porém, só exporta dados não-transientes (que não variam no tempo) , ou em outras
palavras, nenhum dado animado é exportado, como variações de temperatura e velocidade.
A exportação em VRML é bastante difundida, principalmente levando-se em conta
o software .PDF3D, que permite embutir esses dados em VRML em arquivos .PDF [9].
8
Figura 2 - Modelo 3D exportado do Paraview em funcionamento dentro de um arquivo .PDF.
Entretanto, como os arquivos em VRML não carregam informações transientes, o
PDF3D também não as visualiza, permitindo apenas a exibição de malhas estáticas.
O Ensight também sofre com problema semelhante. Ele exporta nos seguintes
formatos: CASE, VRML, EXODUS II, FLATFILE, HDF 5.0, STL
Porém, assim como no Paraview, nenhum desses arquivos carrega as informações
transientes dos modelos, seja alterações de malha ou de coloração.
Uma solução que a equipe do Ensight desenvolveu, foi o Enlighten: o Enlighten é
uma espécie de player do Ensight. Uma vez que você tenha todos os seus dados
visualizados e carregados, você pode exportá-los para o Enlighten. Assim, quando você
executar o arquivo, ele já estará todo pré-configurado e com seus dados transientes.
Contudo, os arquivos exportados para o Enlighten ficam muito grandes, com
aproximadamente 2 GB (dois gigabytes), além de também requisitar a instalação do
software Enlighten para a exibição dos arquivos.
9
Figura 3 - Tela de exportação do Ensight.
Em síntese, ambos os programas não oferecem opções viáveis de exportação dos
dados visualizados, de forma interativa e com dados transientes, que não necessitem da
instalação de visualizadores e players.
Foi com base nesta ausência de opções que o escopo deste trabalho foi definido:
"criar um visualizador que tenha baixo custo computacional, tamanho de arquivo reduzido,
que não requeira a instalação de outros programas para funcionar; que contenha dados
transientes em 3D e seja interativo."
2.3 - Visualização Interativa na Internet
Uma solução largamente explorada é a visualização diretamente na internet.
Alguns sistemas oferecem interação, outros apenas visualização 3D, mas a maioria conta
com o seguinte requisito básico: o servidor faz o cálculo e processamento dos dados e o
cliente apenas recebe as imagens e transmite as ações do usuário.
Um exemplo é descrito em ANG et al. [10] : eles desenvolveram uma ferramenta
de visualização volumétrica para uso geral em diversos sistemas, integrada com o browser
Mosaic como sistema de visualização. A ferramenta, chamada "VIS" usa um conjunto de
placas gráficas dedicadas para gerar modelos 3D a partir de dados volumétricos,
distribuindo as tarefas entre as placas disponíveis. Para permitir a distribuição da
informação para os clientes remotos, , eles criaram plugins para o Mosaic suportar dados
10
volumétricos e definiram um canal de comunicação entre o browser e o VIS. Isso permitiu
inserir visualizações tridimensionais interativas dentre de páginas HTML. A partir do
browser, clientes remotos mandam informações que executam tarefas de visualização para
o ambiente do VIS e o resultado é encaminhado para a página HTML.
Outro trabalho semelhante na internet foi feito por LIU et al [11], que implementou
um sistema de visualização interativa distribuída chamado "Discover" (Distributed Interactive
Scientific Computing and Visualization Environment). Este sistema adotou também a
arquitetura cliente-servidor e consiste em uma máquina virtual, que inclui um ou mais
computadores e um conjunto de processadores que provêem a máquina virtual. O sistema
oferece funções para ambos os clientes e servidores, entretanto o cliente realiza apenas
operações básicas de manipulação de dados. Foi um sistema voltado para aplicações
médicas, que suportava visualização cooperativa, com usuários posicionados em diferentes
clientes, sendo capazes de interagir com uma única janela de visualização.
Um trabalho brasileiro é descrito em ALVES et al [12], onde seu produto, chamado
"VisWeb", usa JAVA applets (software executado no contexto de outro programa, como por
exemplo, o plugin Flash Player executando dentro do browser Firefox) para oferecer
recursos de visualização na internet. Neste sistema, o servidor provê os applets e o
processamento é feito totalmente no cliente, que também guarda os dados, como ilustrado
na figura abaixo.
Figura 4 - Arquitetura do VisWeb
Os applets do Java fazem o interfaceamento do VisWeb com o VTK Toolkit, para
implementar um conjunto básico de técnicas de visualização escalares e vetoriais.
11
Como mostrado na figura, o VTK é executado no cliente. Mas para isso, o cliente
deve ter instalado em sua máquina algumas bibliotecas de dados do VTK para que os
applets do JAVA permitam que o VisWeb execute as visualizações. Neste projeto, todas as
funções de visualização são implementadas usando classes do VTK, e todas as atividades
de rendering são implementadas em algoritmos controlados pelo VTK e pelo OpenGL. O
JAVA apenas provê instruções para controle de eventos na interface do usuário e ativa as
classes do VTK, usando o interfaceamento criado entre eles.
Em síntese, esse sistema requer a instalação de bibliotecas do VTK, além do
plugin do JAVA. Além disso, um arquivo de permissão tem que ser baixado para que o
servidor possa ter acesso aos dados no disco local do cliente.
Uma outra solução interessante foi proposta por BETHEL et al [13] - usando o
QuickTime player ou uma página da internet, usuários remotos podem navegar livremente
através de imagens pré-renderizadas de visualizações 3D transientes(com variação
temporal).
Através desse trabalho, eles tentaram desenvolver um mecanismo que fizesse um
equilíbrio entre custo computacional e funcionalidade. Mandar imagens via internet ao invés
de dados é um método mais inteligente em termos de usabilidade (pouca ou nenhuma
instalação e configuração são necessárias no lado do cliente) e escalabilidade, em termos
de acessar remotamente a visualização de resultados obtidos através de grandes volumes
de dados.
Figura 5 - Fluxograma do método desenvolvido por Chen.
A experiência da interação em 3D com uma cena dinâmica é obtida através da
visualização de imagens pré-renderizadas de diferentes ângulos de visão e diferentes
espaços temporais. Essas imagens podem ser renderizadas por qualquer visualizador ou
sistema de render, pois este método é largamente utilizado em diversos campos
(panoramas e passeios virtuais com Quicktime VR). Durante a interação por parte do
12
cliente, seu visualizador, seja um Quicktime VR player ou no código em JavaScript
desenvolvido pela equipe, permite que o usuário possa navegar através do modelo, com
variação temporal, representados pela composição de imagens pré-renderizadas.
Entretanto, ambas as soluções desenvolvidas nesse trabalho apresentam alguns
entraves. Ao usar o Quicktime VR, todo o arquivo tem que ser baixado da internet, antes
que se possa visualizar qualquer imagem. Ele funciona bem para visualizações curtas com
poucos dados, contudo, quando as visualizações aumentam, o tamanho do arquivo a ser
baixado cresce enormemente, aumentando muito o tempo de download do arquivo. Já na
solução em JavaScript, as imagens são carregadas dinamicamente no cache do
computador, conforme surge a necessidade. Mas, a longo prazo, quando se muda
totalmente de ambiente ou visualização, o frame rate fica muito baixo, pois as imagens tem
que ser baixadas inteiramente do servidor. Além disso, um problema encontrado em ambas
as soluções é que, devido ao fato das imagens que compõem a "simulação 3D" serem prérenderizadas, ao dar zoom nas visualizações, a resolução da imagem em destaque
continua a mesma, resultando em degradação da qualidade visual. Uma solução seria usar
imagens de alta resolução para compor os gráficos 3D, mas isso aumentaria demais a
tamanho final do Quicktime VR Object Movie. Outra limitação é que este sistema não
oferece a possibilidade de navegação livre. Se as imagens pré-renderizadas são feitas com
determinada angulação de câmera, os usuários não poderão mudá-lo de forma a
"caminhar" pelo gráfico tridimensional.
Em 2008, CHEN, et al [14] atualizou o sistema, desta vez com imagens prérenderizadas em diferentes resoluções, que são transmitidas ao cliente conforme sua
necessidade. Além disso, é possível navegar através de diferentes ângulos de visão,
diferentes parâmetros de visualização e rendering. Nesta atualização, foi desenvolvido um
sistema de streaming de imagens multi-resolução, em blocos (da mesma forma que
funciona o Google Earth), que utiliza eficientemente a capacidade da rede disponível,
enquanto provê ao usuário a resolução máxima que ele pode perceber de um determinado
ponto de vista. Entretanto, apesar das atualizações, a navegação entre diferentes ângulos
ainda é comandada através de ângulos pré-renderizados, o que impede a "navegação livre"
pela visualização tridimensional.
Em BURIOL [15], é descrito um sistema de para visualização de campos elétricos e
magnéticos em subestações de energia, onde as simulações foram geradas com VTK, a
subestação de energia foi modelada em CAD (Computer Aid Design) e ambos os dados
foram congregados em um ambiente tridimensional interativo, através do uso do VRML (que
pode ser visualizado online).
13
Figura 6 - Visualização de campos de luminância em conjunto com o modelo da
subestação, dentro do ambiente VRML
Figura 7 - Visualização de isosuperfícies e do modelo CAD em VRML
No sistema de Buriol, a navegação é livre, porém apresenta o mesmo problema de
outras visualizações realizadas em VRML: os dados de visualização científica são estáticos,
não transientes - sem variação temporal.
14
CAPÍTULO 3
TESTES PRELIMINARES
3.1 – O Google Earth como repositório de dados científicos
A empresa de busca eletrônica na Web, Google, oferece ao mercado o Google
Earth (GE) [16], um sistema para navegação em qualquer região do planeta. Todas as
regiões da Terra estão cobertas por mosaicos de imagens de satélites de diferentes
resoluções (Landsat, Ikonos e Quickbird). A maioria dos mosaicos foi construída com
imagens Landsat, resolução espacial de 30m. Alguns lugares contam com recobrimento de
imagens com alta resolução espacial, de 1m ou 0,67m. O GE usa também imagens
topográficas, geradas pela missão Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). As
aplicações do GE servem para fins comerciais ou científicos. O sistema funciona nos
sistemas operacionais mais comuns, Windows, Mac OS e Linux.
O GE está fundamentado numa variante da Geography Markup Language (GML), a
Keyhole Markup Language (KML). A codificação das imagens e vetores estão descritos
nessa linguagem de codificação para compartilhar dados espaciais na Web.
A GML é uma iniciativa do consórcio OpenGIS e tem por base a OpenGIS Abstract
Specification - OAS (www.opengis.org). As iniciativas OpenGIS e GML oferecem um
padrão, livre do vendedor, para codificar qualquer tipo de primitiva geográfica bem como
qualquer método para mostrá-lo (Miranda, 2002) [17]. O objetivo da GML é o transporte e
armazenamento da informação geográfica, incluídos a geometria e propriedades do atributo
geográfico (OGC, 2002). A GML e, conseqüentemente, a KML, não é uma linguagem para o
desenho das primitivas geográficas que ela codifica. Os procedimentos de visualização
(desenhos) dessas primitivas ficam a cargo de rotinas que devem ser desenvolvidas por
quem implementa a GML. No caso da KML, a empresa Keyhole Inc. Images
(www.keyhole.com) - empresa especializada em mapeamento digital - foi comprada em
2004, pelo Google.
Uma vez que os dados cartográficos estejam disponibilizados no formato da KML,
eles podem ser disseminados pela Web, pois a versão cliente do GE passa a funcionar
como um servidor de mapas na Web.
Seguindo esta linha, diversos pesquisadores e universidades ao redor do mundo
vem utilizando o Google Earth para disseminar seus resultados de modelos científicos e
modelos tridimensionais de edifícios. A própria adição do passeio pelo fundo do oceano na
versão 5 do GE foi construída através de dados de batimetria fornecidos por pesquisadores.
15
Figura 8 - Prognóstico de Variação Climática na Terra a partir de Novembro de 1999 até
Outubro de 2099, publicado no Google Earth por pesquisadores britânicos em 2008.
A princípio, decidiu-se estudar um meio de se utlizar o Google Earth como
repositório de resultados de modelos ambientais e dados observados utilizados pelo
NUMA/LAMCE. As imagens eram georeferenciadas pelos membros da equipe e exportadas
no formato .KML, para ser inserido no programa. Contudo, havia uma dificuldade em se
inserir dados transientes (variantes no tempo) e em três dimensões. Mesmo com o estudo
de importadores e exportadores de dados em .KML para o software 3D Studio Max, o
resultado não foi satisfatório. O dado em 3D causava instabilidade no Google Earth (devido
a alta resolução espacial e temporal dos dados) e houve extrema dificuldade em
georeferenciar os dados (para estes testes foi utilizado o campo de batimetria fluvial da
região amazônica). Outro problema encontrado foi que os dados processados pelo NUMA,
como as batimetrias do Rio Solimões (AM) e da região da Bacia de Santos, no litoral do Rio
de Janeiro, ficavam invisíveis quando inseridos no Google Earth, uma vez que o software
não dispõe dos dados de profundidade nessas regiões. Para que eles ficassem visíveis na
interface do programa, seria necessário enviá-los para a equipe do Google e esperar que
estes avaliassem a possibilidade de inseri-los na malha geométrica original do "planeta
Terra" desenvolvido por eles. Tal fato demandaria um tempo não mensurável, o que vai
contra a idealização da interface, que é a de oferecer resultados ágeis para situações de
emergência, além de retirar a propriedade intelectual do LAMCE sobre o material produzido.
Também se apresentou a necessidade de se criar um sistema próprio de
visualização, sem necessidade de plataformas pré-existentes, que suportasse os dados
acima descritos (variações no tempo e geometrias tridimensionais). Sendo assim, a idéia de
construir a plataforma de visualização científica com base no Google Earth foi abandonada
16
e partiu-se para o estudo de softwares que pudessem trazer a tona uma plataforma
inteiramente nova produzida pelo NUMA.
3.2 – O Papervision3D
Seguindo a linha de publicação de conteúdo na internet, foi estudado o
Papervision3D.
O Papervision3D [18] é uma biblioteca 3D para o software Adobe Flash, que
permite a criação e visualização de conteúdo tridimensional diretamente na internet, através
do Flash Player Plugin. Ele utiliza a linguagem Action Script 3 para montagem e
programação, possui um bom sistema de física e permite até aplicações em Realidade
Aumentada.
Uma das grandes vantagens de se utilizar o Papervision3D é a facilidade de
pulverização de seus resultados, pois ele utiliza o Flash Player, o plugin mais difundido na
internet, seja para visualização de vídeos no Youtube, animações ou mesmo jogos. Como a
maioria dos sites de internet requerem o flash player para exibição de seu conteúdo (barra
de notícias, por exemplo), ele já é presente na maioria dos lares ligados na rede mundial de
computadores.
Logo,
com
conteúdo desenvolvido
em
Papervision3D,
o usuário
provavelmente não teria que baixar qualquer outro plugin, tendo acesso direto ao conteúdo
científico tridimensional.
Figura 9 - Aplicativo 3D, executado no browser através do Papervision3D.
Todavia, vários testes foram realizados e o Papervision3D também não trouxe
bons resultados: a quantidade de polígonos que ele permite ainda é extremamente baixa,
assim como a resolução das texturas. Além disso, todo o interfaceamento para o programa
tem que ser programado em Action Script 3, linguagem complexa e desconhecida pelo
17
pesquisador. Outro problema encontrado foi que o plugin exige grande quantidade de
processamento em CPU (processador) e baixo FPS (Frames por Segundo), tornando sua
visualização lenta e não-funcional.
Figura 10 - Aplicativo desenvolvido com Papervision3D, visualização científica
tridimensional de trecho da calha do Rio Solimões, disponível no site do NUMA/LAMCE
para fins de teste.
3.3 – Unity3D
O Unity3D [19] é uma ferramenta de desenvolvimento multi-plataforma, sendo
muito utilizada para criação de games para internet, Nintendo Wii, iPhone e, mais
recentemente, iPad. O Unity tem se popularizado devido ao sucesso de aparelhos como o
iPhone, que permite que o usuário compre jogos a um baixo custo na AppStore, loja virtual
da empresa Apple, e execute-os no próprio celular em qualquer lugar do mundo. Essa
novidade alavancou muito a criação de aplicativos e jogos para dispositivos móveis,
inclusive no Brasil é o nicho onde mais se investe tratando-se de jogos: jogos para
dispositivos móveis
18
Figura 11a – Jogo Resident Evil 4, da empresa CAPCOM, sendo executado no iPhone.
Figura 11b – Jogo Street Fighter 4, da empresa CAPCOM, sendo executado no iPhone.
O Unity3D despertou o interesse do pesquisador na medida em que os modelos
científicos tridimensionais poderiam ser visualizados e manipulados na tela de um celular, o
que facilitaria muito a tomada de decisão in situ (no local) de um provável acidente, porém,
o celular iPhone, da Apple, ainda é um artigo de luxo para a maior parte da população
19
brasileira Mesmo os integrantes das classes média e alta ainda relutam em adquirir tal
aparelho. Outro fato desanimador foi que o Unity3D requer programação em Javascript,
outra linguagem de programação desconhecida pelo pesquisador. Uma vez que o tempo de
desenvolvimento do visualizador era curto (dois anos), foi necessário encontrar uma engine
de desenvolvimento na qual o pesquisador pudesse trabalhar livremente, sem entraves de
programação. O Unity3D permanece como uma boa opção para trabalhos futuros que
permitam maior tempo de desenvolvimento e equipes multidisciplinares (design e
programação).
Figura 12 – Tela do software Unity3D, com gráfico 3D, á esquerda e programação
à direita.
20
3.4 – Quest3D
O software Quest3D [20] é uma ferramenta de desenvolvimento de aplicativos
tridimensionais que se destaca pelo fato de não cobrar nenhum conhecimento prévio em
programação, pois conta com um sistema de Programação Visual, também chamado de
"Building Blocks". Além disso ele também permite a “Object Oriented Development” ou
Desenvolvimento Orientado ao Objeto. Qualquer profissional seja da área de Computação
Gráfica ou não pode utilizar o software e obter bons resultados.
Ao adquirir uma licença do Quest3D, o usuário ganha uma licença comercial para
produzir e comercializar seus projetos. O Quest não cobra royalties sobre os projetos
desenvolvidos e o usuário pode publicá-los em arquivos executáveis (.EXE) e em páginas
da internet (é necessário a instalação do Quest3D Web Viewer). Além disso, o Quest
suporta diversos tipos de dispositivos, incluindo mouse, teclado, telas touch-screen,
joysticks, Wiimote, Luvas 3D, Motion Trackers, Monitores 3D como o Philips WOWvx e
Render em Stereo para uso em CAVES (Cavernas de Projeção Digital).
Outra vantagem animadora do Quest3D é a alta qualidade dos gráficos que o
programa pode alcançar. Ele conta com vários recursos avançados como suporte a shaders
(técnica que dá qualidade visual aos modelos tais como Normal Mapping, Relief Mapping),
High Dynamic Range rendering (HDR - técnica que simula a adaptação do olho humano a
ambientes com pouca ou muita luz), Nature Painting (técnica para desenvolver grandes
cenários em tempo real), Cloth Rendering (simulação de tecidos), Crowd Rendering
(simulação de multidões), Path Finding (definição de caminhos a serem percorridos por
câmeras, avatares ou objetos), Water Rendering (o Quest3d já vem com um sistema
embutido para simulação de água, tanto em pequena quanto em larga escala, com controle
de ondas, etc), Particle Simulation (Simulação de Partículas, como fumaça, fogo, etc),
Animation Blending (técnica muito usada em personagens - este sistema faz uma mistura
de diferentes animações criadas para um personagem, como andar e correr, permitindo
uma transição mais suave em tempo real), GUI rendering (técnica para criação de interface
gráfica como botões, barras, etc), Stereo Rendering (técnica para visualização 3d com
óculos polarizados ou Anaglifo, que são os óculos vermelhos e azuis, podendo ser
utilizados em qualquer monitor ou TV), Weather System (esse sistema já vem pronto no
Quest3d, ele simula a passagem do dia em tempo real, inclusive com chuva); Três sistemas
de Física : ODE, Newton e o Physics, da NVIDIA. O Quest3d oferece suporte à rede,
permitindo aplicações e Games Multiplayer em redes locais e online. Também oferece
acesso a banco de dados MySql, ODBC e suporta diferentes arquivos de áudio e vídeo.
21
Figura 13 – Tela do software Quest3D, gráfico tridimensional na tela superior e
programação na tela inferior.
Em resumo, devido ao fato de não requerer conhecimento prévio de programação,
permitir gráficos tridimensionais de alta qualidade, oferecer diversos dispositivos de entrada
e saída de dados e publicação online, o Quet3D foi o software escolhido para realização
desta dissertação de mestrado.
22
CAPÍTULO 4
FERRAMENTAS E DISPOSITIVOS
Neste capítulo são apresentados todos os softwares, formatos de arquivo e
hardwares usados na realização deste trabalho.
4.2 – Modelagem Computacional Ambiental
Modelagem Computacional é um método de investigação de conhecimento
multidisciplinar que trata da aplicação de modelos matemáticos à análise, compreensão e
estudo da fenomenologia de problemas complexos em áreas abrangentes como as
engenharias, ciências exatas, biológicas, humanas, economia e ciências ambientais [21].
Alguns exemplos são os modelos de implantação de indústrias e simulação de
impacto ambiental determinada pela implantação de sistemas de produção. Simulação,
análise, modelagem e projeção temporal e espacial do fluxo das substâncias ou materiais
envolvidos nas emissões industriais e no transporte destas no ambiente, das taxas de
acumulação nas áreas de influência e projeção dos efeitos sobre as populações afetadas.
Simulação de variação de correntes marítimas transporte de poluentes via atmosfera ou
meio hidrodinâmico.
O NUMA/LAMCE implementa e aplica modelos que representam a dinâmica
marinha, fluvial e atmosférica. Tais modelos são aplicados em diferentes escalas espaciais
(global, regional e local) e temporais. Além disso, o grupo também desenvolve e aplica
modelos de dispersão de poluentes em ambientes aquáticos. É importante ressaltar que os
modelos citados geram resultados com características comuns como: a tridimensionalidade
espacial e a variação no tempo.
23
Figura 14 – Modelagem hidrodinâmica disponibilizada no site do NUMA/LAMCE
4.3 – Linguagem Fortran
A família de linguagens de programação conhecida globalmente como Fortran foi
desenvolvida a partir da década de 1950 e continua a ser usada hoje em dia. O nome é
uma abreviação da expressão "IBM Mathematical FORmula TRANslation System".
As versões iniciais da linguagem eram conhecidas como FORTRAN, mas o uso de
letras maiúsculas foi ignorado em versões recentes da linguagem começando a partir do
Fortran 90. Os padrões oficiais da linguagem referem-se a ela atualmente como "Fortran".
A linguagem Fortran é principalmente usada em Ciência da Computação e Análise
Numérica. Apesar de ter sido inicialmente uma linguagem de programação procedural,
versões recentes de Fortran possuem características que permitem suportar programação
orientada por objetos [22].
O Fortran permite a criação de programas que primam pela velocidade de
execução. Daí reside seu uso em aplicações científicas computacionalmente intensivas
como meteorologia, oceanografia, física, astronomia, geofísica, engenharia, economia etc.
No âmbito deste trabalho, uma pequena rotina foi desenvolvida em Fortran, pelo
pesquisador Manlio Mano, integrante do NUMA, para agilizar a formatação dos dados em
.VTK (ver apêndice)
.
24
4.4 – VTK – Visualization Toolkit
O Visualization Toolkit (VTK) é uma biblioteca de desenvolvimento open-source1,
usado em computação gráfica em 3D, processamento de imagens e visualização. O VTK
consiste em um conjunto de classes C++ e várias camadas de interface interpretadas
icluindo Tcl/Tk, Java e Python. A Kitware, cuja equipe criou e continua a desenvolver o VTK
oferece suporte profissional e consultoria para aqueles interessados em desenvolver
aplicações com o programa. O VTK suporta uma grande variedade de modificadores
incluindo: escalares, vetores, tensores, texturas, e métodos volumétricos; e também
técnicas de modelagem avançada como: modelagem implícita, redução de polígonos,
suavização de malha, cortes, contornos, e triangulação de malha. O VTK tem um pacote
extenso para visualização de informação, possui um conjunto de interações em 3D, suporta
processamento em paralelo e faz integração com vários bancos de dados em pacotes GUI
(pacotes de interface gráfica) como o Qt e Tk. O VTK é um software multi-plataforma,
funciona em Linux, Windows e Unix [23].
Figura 15 – Render volumétrico e imagem de corte de um corpo feminino usando .VTK
como linguagem de visualização tridimensional.
____________________________________
1
-Software Livre.
25
4.5 – Kitware Paraview
O software Paraview, da empresa Kitware é um programa open-source, multiplataforma para análise e visualização de dados. Usuários do Paraview podem rapidamente
criar visualizações para analisar seus dados utilizando técnicas qualitativas e quantitativas.
A exploração dos dados pode ser interativa em 3D ou programada usando a capacidade de
processamento em seqüência do programa.
O Paraview foi criado para analisar dados extensos usando recursos de memória
distribuída. Ele pode ser executado em supercomputadores para analisar dados em escala
de terabytes, assim como pode ser usado em laptops para dados menores.
O Paraview funciona em sistemas com processamento em paralelo para diversos
processadores e em sistemas com apenas um processador. Ele funciona plenamente em
sistemas Windows, Mac OS X, Linux, IBM Blue Gene, Cray Xt3, em vários computadores
que utilizam Unix, clusters e supercomputadores. No seu interior, o Paraview usa o VTK
(Visualization Toolkit) como processador de dados e motor gráfico e usa uma interface
gráfica escrita em Qt® [24].
Figura 16 – Visualização científica tridimensional de um asteróide se chocando com um
planeta, visualizada no Paraview.
26
4.6 – VRML
VRML (Virtual Reality Modeling Language) é um padrão de formato de arquivo
para realidade virtual, utilizado tanto para a internet como para ambientes desktop. Por meio
desta linguagem, escrita em modo texto, é possível criar objetos (malhas poligonais)
tridimensionais podendo definir cor, transparência, brilho, textura (associando-a a um
bitmap). Os objetos podem ser formas básicas, como esferas, cubos, elipsóides, hexaedros,
cones, cilindros, ou formas criadas pelo próprio programador, como as extrusões.
Além dos objetos, também é possível acrescentar interatividade a estes por meio
de sensores, podendo assim deslocá-los de posição, acrescentar luz, produzir um som
quando o objeto é clicado ou quando o avatar (personagem 3D) simplesmente se aproxima
dele, e abrir um arquivo ou página da Web, ou ainda outra página em VRML, quando o
objeto é acionado.
Não é necessário um software específico para a criação de arquivos VRML
(embora existam), uma vez que os objetos podem ser todos criados em modo texto.
Usualmente a extensão de arquivo para este formato é o .WRL.
Suplantado pela norma X3D, que integra a linguagem VRML com XML e estende
as capacidades de modelação e interação da norma VRML97 [25].
Figura 17 – Arquivo VRML sendo executado no browser Internet Explorer.
27
4.7 – Deep Exploration
O software Deep Exploration, da empresa Right Hemisphere é uma poderosa
ferramenta para visualização e conversão de arquivos em 2D, 3D, áudio e vídeo. O
programa suporta diversos formatos populares e particularmente permite a conversão de
formatos 3D entre si, incluindo animação. O programa possui uma tela onde os arquivos
podem ser visto em 3D, com todas as suas layers de hierarquia e animação. Ele possui
duas versões – Standard e CAD edition. A segunda suporta mais formatos, assim como
possui uma gama maior de ferramentas para arquivos em 3D. Ele possui ferramentas para
otimização de modelos, remoção de objetos escondidos ou invisíveis e muito mais. Além
disso, você pode visualizar os arquivos e realizar manipulações sem necessariamente
afetar o arquivo original, como mover objetos, apagar layers (camadas), realizar renders
(imagens finalizadas), executar animações e etc [26].
Figura 18 – Tela do software Deep Exploration.
28
4.8 – 3Ds Max
3Ds Max [27] ou como era anteriormente conhecido 3D Studio Max é um programa
de modelagem tridimensional que permite o rendering (criação de imagens realistas) de
imagens estáticas e vídeos. Sendo utilizado em produções de filmes de animação, criação
de personagens para jogos em 3D, vinhetas e comerciais para TV, maquetes eletrônicas e
na criação de qualquer espaço virtual. Produzido pela Autodesk, o 3Ds Max se destaca dos
demais softwares pela versatilidade, diversas aplicações e plugins, que funcionam como
extensores do programa. Atualmente é um dos softwares líderes do mercado de
Computação Gráfica, ao lado do Maya, também pertencente à Autodesk.
Suas principais características são as seguintes:
Modelagem – O programa oferece ferramentas de modelagem poligonal,
modelagem via NURBS, primitivas e diversos plugins que adicionam e expandem as
ferramentas básicas de modelagem.
Texturização – Na versão mais recente, a 2011, você pode pintar mapas
diretamente na viewport e visualizar o render final através do software Quicksilver, que faz a
pré-visualização do render final diretamente na placa gráfica; possui editor de materiais
utilizando nós para facilitar a visualização, etc.
Animação – Além do tão conhecido biped, do Character Studio (um esqueleto
humano pré-pronto que facilita a construção de animações) as novas versões do 3Ds Max
trazem o CAT – Character Animation Toolkit embutido, uma poderosa ferramenta de
animação de personagens com diversos controles e níveis de hierarquia.
Iluminação e Render – O programa possui todas as primitivas de iluminação: spot,
omni, skylight, direct lights, assim como simulação física de todas as propriedades das luzes
como caustics, ambient occlusion, dentre outros. Para fins de rendering, o 3Ds Max conta
com a ferramenta básica de render Scanline e o tão utilizado Mental Ray.
Efeitos – O 3Ds Max possui simuladores nativos para cálculos de explosão, física
avançada com o Reactor, fogos de artfício, vento, chuva e pode ser expandido por plugins
específicos e mais avançados como o FumeFx, Dreamscape, dentre outros.
Programação via Maxscript – O software também conta com uma linguagem de
programação própria, o Maxscript, utilizado para agilizar grandes tarefas e otimizar
operações repetitivas.
Em suma, trata-se de um software completo para todo e qualquer tipo de produção
gráfica tridimensional.
29
Figura 19 – Tela do software 3Ds Max 2011.
4.9 – ZBrush
ZBrush [28] é um software de escultura e pintura digital que revolucionou a
indústria de Computação Gráfica com suas poderosas ferramentas e métodos de trabalho.
Ele possui uma interface intuitiva, com um arsenal de ferramentas que foram desenvolvidas
com foco na usabilidade. Sua capacidade de escultura digital com bilhões de polígonos
permite que os artistas criem livremente, sem restrições, tendo somente a imaginação como
freio.
O ZBrush oferece ferramentas que permitem um simples sketch (esboço) feito em
2D possa ser transformado em um conceito completo em 3D, através das excelentes
ferramentas de modelagem e escultura orgânica e do seus sistema de rendering com luzes
dinâmicas e efeitos atmosféricos. Além disso, graças a facilidade de exportação de
formatos, o usuário pode esculpir seu modelo tridimensionalmente e no final do processo
enviá-lo direto para impressão 3D e prototipagem.
Devido ao seu excelente processamento em software, os usuários podem esculpir
e pintar modelos 3D com milhões de polígonos, sem necessariamente terem que se
30
preocupar em adquirir placas de vídeo poderosas e caras. Foi por este motivo que o ZBrush
conquistou tanto artistas entusiastas, como grande estúdios de cinema e jogos.
Figura 20 – Escultura e pintura digital no ZBrush realizadas pelo artista Rodrigue Palier.
4.10 – Adobe After Effects
O software After Effects [29], da empresa Adobe Systems é um programa de
criação de gráficos com movimento e efeitos visuais. Ele é extensamente usado em pósprodução de vídeo, filmes, DVDs e animações.
After Effects usa um sistema de camadas dispostas em uma linha do tempo
(timeline) para criar composição de vídeo e animações como arquivos de vídeo.
Propriedades tais como posição e opacidade podem ser controladas independentemente
para cada camada, e cada camada pode ter vários efeitos aplicados. Frequentemente
chamado de “Photoshop do vídeo”, por sua flexibilidade e por permitir aos compositores
alterem o vídeo vendo os ajustes, como o Photoshop faz com imagens.
Embora o After Effects possa criar imagens próprias, ele é geralmente utilizado
com materiais compostos a partir de outras fontes para fazer animações gráficas. Por
exemplo, com a foto de uma nave espacial e a imagem de estrelas no fundo, o After Effects
poderia ser utilizado para colocar a nave em uma layer acima das estrelas e animá-la de
modo que simule um vôo.
31
Figura 21 – Tela do software After Effects.
4.11 – Adobe Photoshop
Adobe Photoshop [30] é um software caracterizado como editor de imagens
bidimensionais do tipo raster - em pixel - (possuindo ainda algumas capacidades de edição
típicas dos editores vetoriais) desenvolvido pela Adobe Systems. É considerado o líder no
mercado dos editores de imagem. O Photoshop é amplamente utilizado pelos profissionais
da área de computação gráfica, tanto para trabalhos digitais quanto impressos.
Sua mais recente versão é apelidada como Adobe Photoshop CS5 (sigla cujo
significado é Creative Suite 5, correspondente à décima segunda edição desde seu
lançamento), disponível para os sistemas operativos Microsoft Windows e Mac OS X. Pode
ser rodado também no Linux, através da camada de compatibilidade Wine. Algumas
versões anteriores foram lançadas também para IRIX, mas o suporte a esta versão foi
descontinuado após a versão 3.0.
Apesar de ter sido concebido para edição de imagens para impressão em papel, o
Photoshop está a ser cada vez mais usado também para produzir imagens destinadas à
Internet. Até a versão 9.0(CS2) o programa, o Adobe ImageReady, muito semelhante ao
Photoshop, que era utilizado em conjunto para a edição e criação de imagens e animações
para a internet. A partir da versão 10(CS3), os recursos do Adobe ImageReady estão
incluídos dentro do próprio Photoshop.
32
O Photoshop também suporta edição com outros tipos de programas da Adobe,
especializados em determinadas áreas: o já referido Adobe ImageReady (edição de
imagens para a web), Adobe InDesign (edição de texto) Adobe Illustrator (edição de gráficos
vectoriais), Adobe Premiere (edição de vídeo não-linear), Adobe After Effects (edição de
efeitos especiais em vídeo) e o Adobe Encore DVD (edição destinada a DVDs). Os formatos
de arquivos nativos do Photoshop (PSD ou PDD) podem ser usados entre estes programas.
A título de exemplo, o Photoshop CS5 permite fazer elementos da interface gráfica de DVDs
(menus e botões), desde que dispostos separadamente no ficheiro original (PSD ou PDD)
por camadas (layers) agrupadas por ordem específica, de forma que, ao ser importado pelo
Adobe Encore DVD, este consiga criar a edição para DVD com esses elementos.
Figura 22 – Tela do software Adobe Photoshop CS5.
4.12 – Formato COLLADA
COLLADA significa COLLAborative Design Activity, ou Atividade Colaborativa de
Design. Trata-se de um formato de intercâmbio para arquivos 3D. COLLADA é controlado
por um consórcio sem fins lucrativos chamado Khronos Group [31].
COLLADA define um sistema aberto de XML para intercâmbio de arquivos digitais
entre vários softwares de produção tridimensional. Arquivos COLLADA são escritos em
XML, usualmente identificados pela extensão .dae (digital asset exchange).
Originalmente criado pela Sony Computer Entertainment, ele se tornou propriedade
do Khronos Group, um consórcio industrial financiado pelos seus membros, que agora
compartilha o copyright do formato com a Sony. Várias empresas dedicadas à Computação
33
Gráfica colaboraram com a Sony nos primórdios do formato COLLADA, para criar uma
ferramenta que abrangeria a maior audiência possível. O COLLADA continua a evoluir
através dos esforços dos contribuintes do Khronos Group. Colaboradores nessa fase inicial
incluíram a Alias Systems Corporation, Criterion Software, Autodeks, Inc., e a Avid
Technology. Dezenas de estúdios de jogos e engines adotaram o formato.
4.13 – Quest3D
Como já dito anteriormente (tópico 2.4), o Quest3D foi o programa de
desenvolvimento adotado para a criação deste trabalho. Maiores especificações podem ser
encontradas na descrição anterior.
4.14 – Periféricos Utilizados
A seguir serão listados os periféricos utilizados nas versões de teste deste
trabalho.
4.14.1 – TV 42’’ PANASONIC TOUCH SCREEN
Este hardware foi utilizado no primeiro teste de campo do visualizador que será
descrito em detalhes mais a frente neste texto.
Trata-se de uma TV de quarenta e duas polegadas, com um sistema de touch
screen embutido frente à tela. Este sistema suporta apenas um toque, chamado One Touch,
a tela mais comum de touch screen. Ele simula o uso do mouse, através do dedo ou de
uma caneta, interpretando um clique, dois cliques e arrastar. Sistemas mais avançados de
toque permitem duas ou mais interações na mesma tela ao mesmo tempo, sendo
chamados de Multi Touch.
34
Figura 23 a – Foto do modelo TH-42PV80LB da Panasonic, mesmo modelo utilizado nos
testes de campo deste trabalho.
Figura 23 b – Foto do painel traseiro do mesmo modelo, mostrando as entradas de áudio e
vídeo.
35
4.14.1.1 – Especificação Técnica
Tabela 1 – Especificações da TV TOUCH SCREEN TH-42PV80LB
36
4.14.2 – Controle sem fio para PS2 LEADERSHIP
Este controle ou joystick foi utilizado na segunda fase de testes do visualizador.
Trata-se de um controle sem fio que pode ser usado tanto no console Playstation 2, quanto
no PC através de um adaptador USB.
Figura 24 – Controle sem fio para PS2 e PC.
4.14.2.1– Especificações Técnicas
- Compatível: PlayStation2 e PC (Através de cabo adaptador);
- No PC Interface USB (Plug & Play);
- Alimentação do Joypad: 4 pilhas AAA (Não incluídas);
- Alcance máximo de 5 metros do Receptor para o Joypad;
- 2 LEDs indicadores: Vermelho = Analógico e Verde = Turbo;
- Botões: 13 Botões e 3 Controles de Direção;
- Chave Liga/Desliga Energia e Vibration indepentes.
37
Dimensões:
- Joypad: L=165 / C=100 / A=65 mm;
- Receptor: L=65 / C=44 / A=12 mm;
- Compr. do Cabo: 28,5 cm.
Requerimentos no PC
- 1 Porta USB disponível;
- Windows® 98SE/Me/2000/XP.
38
CAPÍTULO 5
CONSTRUÇÃO DO VISUALIZADOR
Neste capítulo serão descritos todos os processos e técnicas utilizados para
construção do visualizador de dados científicos em três dimensões. Todo o processo
passou por reformulações em diferentes fases do desenvolvimento do trabalho, porém aqui
será apresentada a metodologia final utilizada.
5.2 – Resultados de Modelos Computacionais Ambientais
A primeira fase da metodologia de construção deste visualizador começa a partir
dos resultados de Modelos Computacionais Ambientais gerados pela equipe do
NUMA/LAMCE.
Os dados foram obtidos no formato ascii (.DAT) a partir da execução do modelo de
circulação geral dos oceanos Modular Ocean Model, versão 4.0. Esses dados representam
médias mensais de campos espaciais superficiais de temperatura do mar (global) e da
componente zonal de velocidade (recorte da costa norte e nordeste do Brasil e região
oceânica adjacente). Os dados batimétricos utilizados para a confecção da grade são
oriundos do Southampton Oceanography Center. Essa batimetria (global) é o resultado da
composição de vários produtos. Entre 72º S e 72º N, a versão 6.2 do produto levantado
através de sensoriamento remoto de SMITH & SANDWELL [32] foi mapeado de uma
projeção mercator original para uma grade georeferenciada (Latitude X Longitude) com 2
minutos de resolução espacial. Ao norte de 72º N, uma versão da International Bathymetric
Chart of the Oceans, descrita por ASSAD, et al. [33] foi usada, enquanto ao sul de 72º S o
produto batimétrico ETOPO 5 [34] foi o escolhido.
Para os dados de topografia da Região Amazônica presentes no visualizador, foi
utilizada a base de dados SRTM - Shuttle Radar Topographic Mission, da Nasa, com
resolução espacial de 90 metros. Para a construção da batimetria do Rio Solimões, foram
utilizadas as seguintes cartas náuticas da Marinha do Brasil: HS-B1 e HS-B2, para a área
do rio entre Coari e Lauro Sodré, com resolução espacial de 50 metros. Outros modelos
utilizados neste visualizador foram o Princeton Ocean Model, NICOIL (desenvolvido pelo
LAMMA - MEHDI, et al ) [35], e o ETOPO 2 [36].
Com essa fase concluída, os modelos descrito em .DAT (DOS Basic) são
reescritos para o formato .VTK.
39
5.3 – Conversão para a linguagem VTK (Visualization Tool Kit)
Em um momento inicial, a conversão dos dados em .DAT para .VTK foi feita
manualmente. Porém, a partir do momento que o volume de dados aumentou
significativamente, foi gerado uma rotina em linguagem FORTRAN para agilizar a
conversão dos arquivos (ver apêndice). Apesar de ser um formato antigo, o VTK é de fácil
compreensão para usuários não-programadores e permite a conversão dos dados
georeferenciados, o que era uma exigência primordial na construção da interface.
Para a visualização dos dados utilizados neste trabalho, foi utilizado a formatação
Legacy do .VTK. O Legacy é o formato mais simples, que pode ser escrito manualmente e
permite a leitura de diversos passos de tempo através de uma série de arquivos numerados
sequencialmente. Abaixo segue a formatação do arquivo Legacy do VTK:
Figura 25 - Representação das cinco partes que compõem o arquivo .VTK
Parte 1 : Header ou Cabeçário
Parte 2 : Título ( No máximo 256 caracteres )
Parte 3 : Tipo de dado, seja ascii ou binário
Parte 4: Geometria/topologia. Onde type pode ser um dos seguintes:
STRUTCTURED_POINTS
STRUCTURED_GRID
UNSTRUCTURED_GRID
POLYDATA
RECTILINEAR_GRID
FIELD
40
Parte 5: Atributos dos dados. O número de itens n de cada tipo deve ser o mesmo
que o número de pontos (points) ou células (cells) do dado. Se type for FIELD, point and cell
data devem ser omitidos.
Figura 26 - Conversão dos dados em ascii (.DAT) para .VTK
Para todos os modelos visualizados no aplicativo, foi utilizado o formato
RECTILINEAR_GRID, com uma, duas e três dimensões.
5.4 – Entrada no Programa Paraview
Uma vez que o arquivo .VTK é importado dentro do Paraview, os dados são
visualizados e tratados através de uma coleção de filtros própria do programa como: Extract
Surface, Warp Scalar, Texture Map, etc.
Cada instante da amostra de dados compõe um arquivo .VTK separado. Ao
importar no Paraview, usa-se o formato legacy do .VTK onde cada instante compõe um
arquivo único com os instantes reconhecidos automaticamente como timesteps dentro da
timeline do programa.
Configurados todos os parâmetros de tabela de cores, filtros, opacidade e
legendas, podem ser geradas figuras, animações ou exportação dos dados.
Desde o início do processo de visualização dos dados, a seguinte pipeline foi
adotada para a maioria dos dados:
• Importação do arquivo legacy;
• Escolha da variação cromática desejada (cores para representar a variação
dos dados);
• Aplicação do filtro Extract Surface (que permite a posterior manipulação 3D
do dado);
41
• Aplicação do filtro Warp Scalar (surface elevation based on scalar values) esse filtro permite que se extraia o volume 3D a partir do dado escalar
presente no dado, como por exemplo a batimetria.
Figura 27 - Tela do Paraview com os dados de batimetria e velocidade superficial
visualizados e tratados.
Após todo o tratamento dos dados, o arquivo é exportado no formato .WRL, que
contém os dados de geometria, texturas e coordenadas X,Y e Z do dado. Em versões
anteriores da metodologia deste trabalho, o formato .PLY (Poligonal File Format) era
utilizado, porém foi abolido pois não conseguia exportar as texturas dos dados para outras
plataformas tridimensionais. Já o .WRL atendeu a todos os requisitos esperados, apesar de
se tratar de um formato antigo.
5.5 – Criação de Texturas Animadas
Apesar do Paraview visualizar os dados transientes (que variam no tempo)
dinamicamente, uma vez exportados, a animação dos dados não acompanha o formato
.WRL.
Esta foi uma grande dificuldade para este projeto. Pensou-se em manipular as
animações dos dados via shader (dispositivo de programação para placas de vídeo), mas
carecia-se do conhecimento e tempo para tanto.
A solução encontrada foi exportar cada passo de tempo, de cada dado, como uma
textura em separado, e animá-las em softwares específicos, como o Adobe After Effects,
42
gerando um vídeo altamente compactado, para que seja visualizado em real-time, dentro do
aplicativo 3D. O formato de saída dos vídeos foi o .AVI, devido as possibilidades de
compressão que ele oferece e também por ser o formato padrão de vídeo para sistemas
Windows, garantindo a compatibilidade do vídeo.
Figura 28 - Textura animada sendo gerada no software After Effects.
5.6 – Entrada no programa Deep Exploration
Ao ter o dado exportado em VRML do software Paraview, teoricamente este
deveria ser importado sem problemas para o software 3Ds Max, usado para compilar todos
os dados do visualizador.
Porém, por motivos que fogem ao conhecimento do pesquisador, nenhum
importador nativo de VRML das versões 9.0 e 2009 do 3Ds Max conseguiram com sucesso
importar o VRML extraído do Paraview.
Importar esses dados no 3Ds Max era essencial, pois permitiria que os dados
estáticos (não transientes) pudessem ser trabalhados em conjunto com os dados variantes
no tempo (transientes).
A solução encontrada foi procurar um software para intercâmbio de dados
tridimensionais e devido ao conhecimento prévio do pesquisador, o software Deep
Exploration foi utilizado para resolver o problema em questão.
O Deep Exploration conseguiu visualizar os dados em VRML extraídos do
Paraview, porém com uma alteração de 90º em um dos eixos do dado. Após uma pequena
43
correção, o dado foi novamente exportado em VRML, que pôde ser importado com sucesso
no software 3Ds Max.
Figura 29 - Batimetria do Rio Solimões extraída do Paraview visualizada no software Deep
Exploration
5.7 – Configuração no 3Ds Max
Assim que todos os dados foram importados no 3Ds Max, realizou-se a inserção
dos dados transientes através do mapeamento das texturas animadas
Isto foi possível seguindo a metodologia a seguir:
• Os planos 3D referentes aos dados transientes foram exportados para o 3Ds
Max;
• Usando o mapeamento de texturas Planar, dentro do Modificador UVW Map
do 3Ds Max, foi possível mapear o vídeo com a textura animada
diretamente no plano 3D a que este pertence, obtendo excelente acuidade
com o dado visualizado no Paraview. O dado pode ser visualizado na
própria tela do 3Ds Max, da mesma forma que é visualizado no Paraview.
Além disso, foi mapeada uma textura planetária, usando a fonte ETOPO 5 para
"ilustrar" a batimetria global. Entretanto, devido ao fato da Batimetria em uso no aplicativo
ser diferente do ETOPO, ocorrem pequenas alterações nas coordenadas da textura. Isso
44
está ligado às diferenças de resolução espacial entre a grade batimétrica do modelo (1 por
1 grau) e a grade do ETOPO (5 em 5 minutos).
Figura 30 - Dados estáticos e transientes funcionais no software 3Ds Max.
Com todos os dados funcionando perfeitamente no software 3Ds Max, animações
3D foram realizadas e tornou-se possível seguir para a próxima fase: a preparação e
exportação dos dados para ambientes em real-time.
5.8 – Redução de Polígonos e UVLayout no programa ZBrush
Ao se trabalhar com aplicativos em real-time, a palavra chave é otimização.
Para conseguir inserir uma vasta gama de objetos tridimensionais, texturas e
efeitos, os modelos 3D devem ser tratados de forma a alcançar o menor tamanho, menor
custo computacional (diga-se memória de vídeo ocupada) com a melhor qualidade gráfica
possível. Para isto, a indústria do entretenimento, principalmente a de jogos, vem
desenvolvendo técnicas para tornar a experiência virtual cada vez mais próxima da real e
assim aumentar e fidelizar seus consumidores.
Como o objetivo deste projeto é criar um ambiente 3D interativo onde se possa
interagir com dados científicos tridimensionais, as mesmas técnicas utilizadas na indústria
de jogos foram aplicadas no desenvolvimento do visualizador.
A primeira trata da redução de polígonos. Quando se trabalha com aplicativos 3D
em real-time, existe um limite para número de polígonos em cena que varia dependendo de
45
cada placa de vídeo. Como o objetivo é desenvolver um aplicativo que funcione nas placas
mais comuns e de baixo desempenho, a regra principal é de que quanto menos polígonos,
mais rápido o seu programa será executado.
Tendo isso em mente, diversas opções de redutores de polígonos foram estudadas
para uso neste visualizador: o modificador optmize, do próprio 3Ds Max 2011, o VizUp,
Polygon Cruncher e por último o Decimation Master, um plugin para o software ZBrush.
Este último destacou-se por ser o produto mais recente no ramo de redutor de polígonos e
demonstrou excelente capacidade técnica, ao remover até 99% do número de polígonos de
um objeto, mantendo sua aparência original. Rapidamente o Decimation Master se tornou
um standard na indústria de jogos, sendo utilizado mundialmente. Testes foram realizados
com os modelos científicos e os resultados foram satisfatórios: no caso da batimetria do
Campo de Santos, o modelo 3D original possuía 110.592 polígonos. Após a redução, o
modelo ficou com 22.080 polígonos, uma otimização de 80%. Níveis maiores de redução
podem ser alcançados, contudo, devido ao fato de se tratar de um modelo 3D orgânico,
com muitas superfícies sinuosas, se os polígonos forem reduzidos demais, perde-se muito
das características originais do modelo, deixando-o "facetado" (com superfícies poliédricas
evidentes). A otimização de 80%, neste caso, foi escolhida por representar a melhor relação
custo benefício entre quantidade de polígonos e semelhança com o modelo original.
O mesmo redutor de polígonos foi utilizado em todos os modelos presentes no
aplicativo.
Figura 31 a - Imagem comparativa de um modelo antes e depois da redução de
polígonos(95% de redução).
46
Figura 31 b - Imagem comparativa de um modelo antes e depois da redução de polígonos
(95% de redução).
47
Geometrias
Original
Reduzido
% de Redução
Batimetria Solimões
183.762 polígonos
30.307 polígonos
83,5 %
Batimetria Campo de
110.592 polígonos
22.086 polígonos
80%
Batimetria Global
142.822 polígonos
57.350 polígonos
60%
Topografia Solimões
64.090 polígonos
12.817 polígonos
80%
Santos
Tabela 2 - Quadro comparativo com as geometrias utilizadas, antes e depois da redução de
polígonos com o Decimation Master.
Apesar do processo de redução de polígonos melhorar muito a exibição dos
modelos em real-time, ele também gera um inconveniente: as texturas são perdidas. No
caso dos modelos científicos, as texturas indicam os valores do dado científico, no caso do
Rio Solimões, o gradiente de cor do azul para o vermelho representa o aumento gradativo
da profundidade do rio. Este dado é extremamente importante, pois é através dele que os
pesquisadores avaliam os dados e verificam sua autenticidade junto à natureza.
Logo, uma alternativa tinha que ser desenvolvida.
Como dito acima, quando o redutor de polígonos age sobre um modelo 3D, ele
remove sua textura e seu UV Map, que contém as coordenadas de UV. O processo de UV
Mapping "mapeia" uma textura em um objeto 3D. Ao contrário do "X,Y e Z" das
coordenadas cartesianas, que são as coordenadas do objeto 3D no espaço, outro conjunto
de coordenadas é necessário para descrever a superfície de um modelo, então as letras "U"
e "V" são usadas [37] As coordenadas de UV simplesmente representam cada face de um
objeto 3D, planificado em 2D, permitindo que uma textura plana seja aplicada ao mesmo,
em todos os ângulos - frente, costas, em cima e em baixo. Quando o modelo em VRML é
exportado do Paraview, o programa cria a sua própria coordenada de UV, "pintando" o dado
científico em cima de cada polígono do modelo original. Assim, quando o redutor é aplicado
no modelo, a quantidade e disposição dos novos polígonos é alterada, logo a coordenada
de UV do modelo original se perde e a textura com os dados científicos não pode ser
aplicada novamente.
Para resolver este problema, uma nova coordenada de UV deve ser criada para o
modelo reduzido. Esse mapeamento do modelo 3D em 2D chama-se UVlayout. Novamente,
diversos softwares podem realizar o UVlayout: o próprio 3DsMax, programas específicos de
UV como o UVLayout, Unfold3d e o UVMaster, um plugin para o ZBrush.
O UVMaster também se trata de um lançamento recente da Pixologic, para o
software ZBrush. Normalmente, o ato de se construir um layout de UV é extremamente
48
demorado e tedioso, tomando horas dos profissionais de modelagem 3D. Porém, com o
UVMaster, esse processo é reduzido a minutos. Ele conta com um sistema muito intuitivo
onde você define as áreas importantes do seu modelo 3D e as áreas onde pode haver corte
e simplesmente apertando um botão, o layout UV é feito automaticamente.
Aprofundando um pouco mais, ao se realizar mapeamentos UV de modelos
orgânicos, a técnica funciona exatamente como a criação dos famosos tapetes de urso. O
usuário deve literalmente cortar o modelo 3D em áreas que não sejam visíveis com
frequência e esticar as áreas cortadas de modo a aproveitar ao máximo o espaço quadrado
definido pelo UVlayout.
Figura 32 - Comparação entre um tapete de urso e UVlayout de um modelo
tridimensional de um dinossauro - o princípio é o mesmo.
Esta solução foi de tremenda ajuda para o desenvolvimento deste trabalho, pois o
UVlayout do Rio Solimões seria extremamente complicado de ser feito manualmente, como
foi em um primeiro momento, custando aproximadamente 10 horas de trabalho contínuo.
Usando o plugin UVMaster, esse trabalho foi reduzido para 3 minutos.
49
Figura 33 a - O plugin UVMaster em funcionamento: áreas vermelhas são protegidas e
áreas azuis atraem possíveis cortes.
Figura 33 b - Após pressionar o botão "Unwrap", obtém-se o resultado acima: o modelo
batimétrico tridimensional do Rio Solimões mapeado em 2D.
No centro da imagem 33 b, pode-se observar um grid quadradro, onde a figura do
rio (em branco), se encaixa. A questão é: por que um grid quadrado?
As placas de vídeos dos computadores, por definição, só aceitam texturas
quadradas, em potência de 2 ( 64x64, 128x128, 256x256, 512x512 ). Logo todas as
texturas aplicadas em modelos 3D que são processados pela placa de vídeo necessitam
50
deste padrão, ou não são exibidas - alguns programas e placas de vídeo mais recentes
fazem a transformação dos mapas retangulares, por exemplo, em texturas em potência de
2, automaticamente, mas mesmo assim, para fins de real-time, as texturas são sempre
quadradas.
5.9 – Projeção de Mapas no 3Ds Max
Como foi dito anteriormente, a coloração ou textura do modelo em VRML extraído
do Paraview é extramamente importante para interpretação do modelo científico.
Uma vez que o modelo com a contagem de polígonos reduzida tem o seu UVlayout
realizado pelo ZBrush, este é exportado com a extensão .OBJ (Wavefront Technologies) e
importado no 3Ds Max. Desta forma, temos o modelo original com muitos polígono ou high
poly com a coloração original do dado científico e o modelo reduzido, low poly com o novo
uvlayout.
O 3Ds Max conta com um painel chamado Render to Texture. Este painel é
responsável pela criação de mapas real-time para os modelos do 3Ds Max, permitindo que
estes sejam exibidos em tempo real dentro de aplicações 3D.
Uma de suas características é a capacidade de projetar texturas de um modelo
para outro. Esta técnica é muito utilizada no ramo de jogos, ao se projetar as texturas de
modelos com imenso grau de detalhamento e realismo em modelos que dispõem da mesma
topologia, da mesma silhueta 3D, porém, com contagem de polígonos infinitamente inferior.
Modelos esculpidos digitalmente em softwares como o ZBrush e Mudbox, são
remodelados com poucos polígonos, para que possam ser exibidos em real-time e têm o
detalhamento da escultura digital projetados no modelo com poucos polígonos. Através do
uso de mapas chamados Normal Maps, todos os detalhes da escultura simulam volume no
modelo reduzido e em seguida pinta-se as cores do modelo.
51
Figura 34 a - Escultura tridimensional à esquerda (high poly) e modelagem low poly à
direita.
Figura 34 b - Modelo final em real-time, com baixa contagem de polígonos e texturas de alta
qualidade.
Sendo assim, utilizando das mesmas técnicas, as cores (dados) do modelo high
poly do Rio Solimões foram projetadas no modelo low poly, com baixa contagem de
polígonos. Este método foi utilizado para todos os modelos presentes no visualizador,
garantindo fidelidade dos dados visualizados a um menor custo computacional, permitindo a
otimização dos dados e congregação de vários modelos em um único visualizador
tridimensional interativo.
52
Figura 35 a - Modelo do Rio high poly à esquerda e low poly à direita - diferença
imperceptível.
Figura 35 b - Semelhante a figura anterior, porém com visualização de cores e wireframe.
53
Figura 35 c - Vista inferior dos mesmos modelos - high poly e low poly.
5.10 – Entrada no programa Quest3D
Neste tópico serão discutidas as técnicas e metodologias para inserção de
modelos e criação do executável em real-time do visualizador 3D interativo.
5.10.1
–Resumo básico do funcionamento do Quest3D
O Quest3D funciona através de um gráfico de canais, uma tela onde as estruturas
dos canais são construídas. Os programas criados dentro do Quest3D são construídos com
blocos que se assemelham à blocos de madeira, aqueles que as crianças usam para
construir edifícios. No Quest3D, esse blocos são chamados "channels" ou canais. Abaixo
segue a figura de um canal:
Figura 36 - Exemplo de um canal do Quest3D.
54
Esses blocos "canalizam" informação ou funcionalidade para outros blocos. Por
isso o nome channel ou canal.
Cada canal é ligado ao outro através de setas, que dependendo de sua direção,
levam ou trazem informação.
A imagem abaixo mostra o exemplo de um pequeno grupo de canais. Essa
estrutura de canais é chamada Channel Group ou Grupo de Canais.
Figura 37 - Flow do Quest3D - programação visual à esquerda e resultado à direita.
1 - Início do Projeto, onde começa a contagem de frames do arquivo, com o canal
Start Channel;
2 - Channel Callers funcionam da esquerda para direita, mas o Start Channel
"chama" o canal da esquerda chamado "Caller 1" primeiro.
3 - O canal "Caller 1" chama a hierarquia abaixo dele. Esta hierarquia começa com
o canal do tipo "3D Object", chamado "Box Object". Este canal provê a informação
necessária para inserir a caixa cinza á direita, na tela.
4 - Depois de executar a hierarquia do lado esquerdo, o Start Channel continua
com seu próximo child, o "Caller 2".
5 - O canal "Caller 2" chama seu child "Fire Object". Este canal e seus "filhos"
criam o fogo visto na tela à direita.
Quando toda a estrutura é executada, o programa começa novamente a partir do
Start Channel.
55
5.10.2
– Importando as geometrias e texturas
Com todos os modelos em low poly preparados e texturizados, estes foram
exportados no formato OPENCOLLADA (.dae) para serem inseridos no Quest3D.
Fazendo um acréscimo, todas as texturas foram exportadas no formato .DDS
(DirectDraw Surface), com a especificação DXT5 para os dados de batimetria (ARGB 8 bits
por pixel) e as texturas da interface foram salvas na especificação 8.8.8.8 (ARGB 32 bits por
pixel, para garantir uma transparência de qualidade). O formato .DDS é o mais indicado
para aplicações em real-time, pois permite excelentes compressões de arquivo e usa o
algoritmo S3TC (S3 Texture Compression), utilizado nas placas de vídeo e em consoles
como Playstation 3 e Xbox 360. O que deve ser levado em conta é que nesse caso, o
tamanho do arquivo em disco não conta muito, mas sim a quantidade de memória que ele
vai ocupar da placa de vídeo. O formato .DDS é preparado para ocupar o menor espaço
possível, porém texturas de 2048x2048 ainda assim ocupam 22Mb (vinte e dois mega
bytes) de memória de vídeo. Além disso, O .DDS permite o pré-cálculo dos mip-maps. Mipmaps são cálculos gráficos da redução das texturas tiled (que se repetem, como a grama),
quando vistas à distância. Ele permite que mesmo afastadas das câmeras, as texturas
mantenham um bom grau de visibilidade e coerência visual. Esse pré-calculo agiliza o
carregamento das texturas na placa de vídeo, uma vez que o software não precisa realizálo.
Quanto ao tamanho das texturas, os gráficos tridimensionais de maior extensão:
batimetria Global e batimetria do Campo de Santos utilizaram texturas de 2048x2048 pixels.
Já os outros gráficos utilizaram texturas de 1024x1024 pixels.
Figura 38 - Textura da batimetria global no Quest3D, com consumo de memória e tamanho
em pixels.
56
As geometrias, em resumo, passaram pelo seguinte processo:
• Extraídas no formato .WRL do Paraview;
• Importadas no DeepExploration e exportadas em .WRL;
• Importadas no 3DsMax e exportadas em .OBJ (formato padrão do ZBrush);
• Redução de Polígonos e UVMap realizado no ZBrush - novamente
exportadas em .OBJ;
• Importadas no 3DsMax, texturas projetadas via Render to Texture e
exportadas em OpenCOLLADA;
• Importadas no Quest3D;
Assim que são importadas dentro do Quest3D, as geometrias assumem a
aparência dos blocos, que compreendem a programação visual do software.
Figura 39 - Formatação das geometrias no Quest3D.
CORTE_ATLANTICO - esse canal, do tipo Surface, congrega todas as
propriedades do modelo em questão e é ligado ao canal 3D Object, que pode ser ligado
diretamente ao canal de Render do Quest3D.
VERTEX DATA - compreende as informações de vértice, polígonos e edges.
57
MATERIAL - esse canal controla a visualização do modelo 3D, alterando suas
cores (diffuse), emissão de luz (emissive), reflexos (specular) e nível de reflexão, se o
material é muito ou pouco reflexivo (Power).
CORTE ATLANTICO TEXTURE - esse canal, chamado Texture é onde ficam as
texturas do modelo, representado na figura 29. Mais de uma textura pode ser aplicada por
modelo, mas nesse caso, apenas uma é utilizada.
STATE 3 - Esse canal, chamado Value, está com uma informação de
programação, que informa quando o modelo será visível para a câmera ou não. Ele se liga
ao
children
"Draw
Object"
do
canal
Surface,
nomeado
neste
modelo
como
CORTE_ATLANTICO.
5.10.3
– Configuração de Câmeras
O Quest3D possui vários tipos de câmera para projetos em real-time, cada uma
com funções e características diferentes.
Para este trabalho, foram utilizadas três câmeras:
Object Inspection Camera - Essa câmera tem o foco centralizado no objeto,
girando e oferecendo zoom in e zoom alt. Ela é muito utilizada para demonstração de
produtos ou modelos 3D. Neste caso, o modelo em foco são os dados científicos;
Fly Through Camera - Essa câmera é uma modificação da 3D Navigation Camera
que vem com o Quest3D, permitindo vôos que ignoram a gravidade.
As câmeras foram configuradas manualmente, para cada dado em específico. Isso
ocorreu devido ao fato de todos os modelos estarem dentro da mesma escala de latitude e
longitude. Logo, uma câmera configurada para visualizar a batimetria global, por questões
de escala, não consegue visualizar a batimetria do Rio Solimões na Amazônia. Sendo
assim, para cada dado de batimetria, uma câmera diferente teve de ser configurada.
Além disso, uma Stereo Camera foi configurada igualmente para cada dado. A
Stereo Camera permite a visualização com óculos anaglifos (vermelho e azul) e
polarizados.
58
Figura 40 a - Object Inspection Camera.
Figura 40 b - Fly Through Camera.
Figura 40 c - Stereo Camera.
Uma preocupação durante o setup de câmeras foi o Aspect Ratio. Ele define a
proporção da câmera, que para monitores comuns é 4/3. Se uma programação específica
não for embutida em cada câmera, ao usar diferentes resoluções, as câmeras ficariam
59
distorcidas: ou esticadas, ou apertadas, impossibilitando a correta visualização dos dados.
Logo, uma pequena rotina foi introduzida em cada câmera para garantir que, independente
da resolução de monitor em uso, a proporção fosse sempre 4/3.
5.10.4
– Aplicação de texturas e shaders
Conforme dito anteriormente, as texturas foram produzidas no formato .DDS, com
resoluções que variam de 1024x1024 até 2048x2048.
Apesar do Quest3D suportar shaders de excelente qualidade, exibindo gráficos
tridimensionais comparáveis aos consoles Playstation 3 e Xbox 360, para este projeto,
nenhum shader avançado foi utilizado. Shaders são conjuntos de instruções de software,
que são usadas primariamente para calcular efeitos de render em placas de vídeo, com
grande flexibilidade, permitindo a criação de água, chuva, bolhas, efeitos de relevo e etc
[38]. Neste caso, não foram usados shaders avançados devido ao fato de que o mais
importante para o visualizador é a interpretação dos dados científicos. Logo, para que isso
fosse possível, apenas as texturas com a informação do dado (vertex color) foram
utilizadas. A única exceção é a textura da Batimetria Global, que dependendo do dado a ser
visualizado, altera entre a textura com a informação batimétrica e a textura obtida a partir do
ETOPO 1. E mesmo assim, essa exceção só veio à tona para facilitar a visualização dos
demais dados, garantindo melhor contraste de figura e fundo.
Figura 41 a - Visualização prejudicada pela ausência de contraste entre figura e fundo.
60
Figura 41 b - Visualização do dado garantida pelo bom contraste entre figura e fundo.
O único shader utilizado no visualizador foi um shader básico de transparência,
para facilitar a implementação dos eixos de latitude e longitude para cada dado.
5.10.5
– Configuração de dispositivos de entrada e saída de dados
Quatro dispositivos de entrada e saída de dados foram utilizados neste trabalho,
oferecendo três formas de interação:
• Mouse e teclado - utilizado na versão final do visualizador;
• TV Touch Screen - utilizada na primeira versão e teste de campo do
visualizador;
• Controle sem fio para PC - utilizado na segunda versão e segundo teste de
campo;
Para todos os dispositivos, a metodologia de programação no Quest3D é a mesma,
utilizando o canal "User Input".
Este canal é responsável por controlar a entrada e saída de dados do teclado,
mouse e controles (joysticks).
61
Ao fazer a verificação de verdadeiro ou falso, o canal insere o valor 0 ou 1 em
outros canais, permitindo que ações sejam descritas de acordo com esse input de dado.
Combinado com o canal Expression Value, diversas fórmulas matemáticas podem ser
descritas, criando diferentes valores de saída, que podem ser aplicados das mais diversas
formas.
Figura 42 - Janela de propriedades do canal User Input.
5.10.6
– Criação de Executável para Plataforma PC e Publicação Online
Assim que todos os dados estão inseridos no Quest3D, toda a programação foi
feita, as texturas aplicadas e a interface gráfica implementada ( a ser discutida no próximo
capítulo), o projeto está pronto para publicação.
Esta publicação pode ser feita de várias formas:
Como um arquivo Executável (.EXE);
Página da Web;
62
Quest3D Viewer;
Installer;
Screen Saver;
A publicação em arquivo executável é a mais indicada, pois cria um arquivo que
pode ser visualizado em qualquer computador, mesmo sem ter o Quest3D instalado. Ao
abrir este arquivo, ele mostra as diferentes resoluções de tela para o usuário escolher (
caso o programador tenha deixado essa opção ativa) ou abre em full screen.
A publicação em Página da Web cria um arquivo .Q3D, e um arquivo .HTML. Este
.HTML possui uma programação básica que ao ser aberto, pede pelo plugin de visualização
online do Quest3D, o Quest3DWebViewer, que uma vez instalado executa o arquivo .Q3D.
A publicação em Quest3D Viewer cria um arquivo .Q3D, que também precisará do
Quest3D instalado na CPU.
A publicação "Installer" cria um arquivo executável que ao ser aberto, instalará o
programa no seu computador, da mesma forma que qualquer outro programa que exige
instalação. Essa opção é mais indicada para projetos grandes, pois a instalação no disco
rígido acelera a execução do programa.
A publicação screen saver se auto-explica. Ela cria um arquivo executável que
pode ser usado como screen saver nos computadores.
Como a função deste trabalho é a difusão dos dados científicos, o projeto foi
exportado como Executável e Página da Web. A preocupação com uso de memória e
espaço em disco refletiu-se em um executável com 35 MB comprimido e 198 MB após
descompressão.
Na página seguinte, pode-se verificar o fluxograma que resume todo o processo de
construção do visualizador.
63
64
Figura 43 – Fluxograma do Processo de Construção do Visualizador.
5.11
– Design da Interface
5.11.1 - Introdução
O processo de construção da interface gráfica deste projeto ocorreu de forma
dinâmica, a partir dos testes de campo realizados e necessidades que foram surgindo no
decorrer da elaboração do visualizador.
Assim que delimitou-se toda a interação e dados a serem inseridos, a interface
teve seu design final definido.
5.11.2 - Primeiro Layout
O primeiro layout do visualizador visava garantir a interatividade básica para
visualização de somente três dados: a batimetria global, um dado de velocidade superficial
da componente U na área do equador e a temperatura global.
Figura 44 a - Visualização da Batimetria.
Figura 44 b - Visualização da Temperatura Global.
65
Figura 44 c - Visualização da Velocidade Superficial.
Este layout inicial contava com:
• Dados organizados por Radio Buttons, à esquerda, sempre presentes;
• Object Inspection Camera;
• Slider para controle de Zoom;
• Barras verticais com as legendas dos dados, sempre à direita;
• Logo do LAMCE no canto inferior direito;
Nos testes realizados, este layout funcionou de forma intuitiva, somente
apresentando problemas de distorção da interface gráfica, dependendo da resolução de
vídeo utilizada.
5.11.3 - Segundo Layout
Este layout foi empregado para apresentação no evento de comemoração de 10
anos do PRH-ANP, em setembro de 2009.
Figura 45 a - Visualização do segundo layout.
66
Figura 45 b - Visualização da temperatura global no segundo layout.
Nesta segunda versão da interface, o problema de posicionamento e escala foi
ainda maior, fazendo com que os botões de controle de visualização dos dados fossem
parar no meio do gráfico 3D, prejudicando muito a visualização do projeto como um todo.
Os logos aplicados também sofreram extrema distorção, algo que não podia
permanecer para uma versão final da interface.
5.11.4 - Redesign da Interface
Depois dos dois primeiros layouts e dos testes de campo iniciais, foi definida a
quantidade de dados a serem inseridas na versão final do visualizador. Com esses dados
em mãos, a interação foi redefinida, assim como a interface gráfica.
Abaixo segue o layout final da interface, criado no software Adobe Photoshop:
Figura 46 - Layout final da Interface gráfica.
67
A criação da interface gráfica levou em consideração vários conceitos, entre eles,
estudos de gestalt, cor, funcionalidade, ergonomia e simbolismo (signo).
Segundo FILHO [39], pregnância é a Lei Básica da Percepção Visual da Gestalt e
assim foi definida: “Qualquer padrão de estímulo tende a ser visto de tal modo que a
estrutura resultante é tão simples quanto o permitam as condições dadas”.
Ou seja, “Quanto melhor for a organização visual da forma do objeto, em termos de
facilidade de compreensão e rapidez de leitura ou interpretação, maior será o seu grau de
pregnância”[39]. Nesse sentido, com o objetivo de facilitar a compreensão dos dados
apresentados no visualizador, levou-se em conta a pregnância da forma. Sendo assim,
desenvolveu-se uma estrutura de caixas e barras mais simples possível, disposto na ordem
de leitura ocidental. E se escolheu a cor preta para o fundo do visualizador, garantindo a
perfeita visualização de todas as informações. Além desse fator, a cor preta foi empregada
com o objetivo de “expressar e reforçar a informação visual” [39], utilizando o conceito de
contraste. Já que o preto contrasta com a cor azul, comum aos dados visualizados.
Outra questão é a funcionalidade. Com o fundo preto, reduziu-se o consumo de
energia. Normalmente utilizam-se cores claras e mais brilhantes como fundo de tela de sites
e programas. O consumo de energia por parte do monitor utilizando a cor preta é menor que
o consumo de outras cores como o branco. Um exemplo deste tipo de iniciativa para
redução de consumo é apresentado através do buscador Blackle, que se propõe a trabalhar
como o buscador Google, mas que utiliza predominantemente o fundo de tela preto. Esta
pesquisa,
realizada por estudantes da UNICAMP [40], revela que podem ser obtidos
grandes volumes de economia, tanto monetária quanto energética, através de alterações
tecnicamente simples e em um curto período de tempo.
Levando em consideração que os dados apresentados pelo visualizador podem ser
analisados durante horas por pesquisadores da área, preocupou-se em utilizar tonalidades
que dessem conforto aos olhos. Segundo o estudo das cores, quanto mais clara é a cor,
maior sua luminosidade, logo, mais brilho ela emite. Oftalmologistas do mundo inteiro
recomendam que os usuários de computador evitem ficar em frente aos computadores por
muitas horas, pois o brilho emitido pelo monitor (geralmente branco) facilita o aparecimento
da “vista cansada”. Desse modo, os tons de cinza compõem a interface, emitindo pouco
brilho e respeitando a visão dos usuários.
68
Figura 47 - Áreas da interface.
Definição das áreas da interface:
1 - Área de seleção dos dados: nesta barra ficam todos os dados presentes no
visualizador, que podem ser visualizados através de seus respectivos botões;
2 - Área do Stage 3D: nesta área, ficam todos os gráficos tridimensionais e
visualizações de câmera. Ela compreende toda a extensão da janela, porém está por trás
da interface 2D;
3 - Setas para movimentação: essas setas movimentam o centro da Object
Inspection Camera, a câmera que circunda ao redor de cada dado. O botão central reinicia
a posição da câmera.
4 - Info : barra com as informações específicas de cada dado. Ao se alterar o dado
na área 1, a informação nesta barra é atualizada dinamicamente.
5 - Botões barra inferior: esses botões se localizam imediatamente acima da barra
inferior e apresentam as seguintes funções, da direita para a esquerda:
Botão “Olho” - visualização em modo de inspeção de objeto;
Botão “Asa” - visualização em modo de vôo livre;
Botão “Óculos” - visualização em stereo anaglifo;
Botão “Eixos” - exibição de eixos de latitude e longitude.
6 - Barra de cores: esta área contém a barra de cores com as informações
pertinentes ao dado sendo visualizado no momento. Também é alterada dinamicamente de
acordo com a mudança do dado na área 1.
69
A linguagem visual adotada para a interface seguiu o design da interface dos
sistemas Windows Vista e Windows 7, com alguma influência dos sistemas operacionais da
Apple (Macintosh).
Todas as barras possuem determinado grau de transparência, de modo a não
eliminar totalmente o gráfico 3D que fica no fundo. Principalmente nas barras de info e
dados, que ficam diretamente acima da área destinada aos modelos tridimensionais.
As barras de cores presentes na área 6 foram salvas do software Paraview,
tiveram seu fundo recortado no Adobe Photoshop e foram salvas no formato .DDS com
transparência. Para este item, o pesquisador tentou manter o padrão dos programas
científicos aos quais os prováveis usuários do visualizador estão familiarizados: o Paraview
e o Ensight [8]. Estes programas permitem que a barra de cor seja reposicionada na tela.
Entretanto, ela é posicionada na parte inferior ou à direita das visualizações científicas com
freqüência, sejam tridimensionais ou não.
O layout dos botões da barra inferior foi pensado de forma a oferecer o design
gráfico mais intuitivo possível, para grandes audiências. Sendo assim, foram usados signos
de significado amplamente difundido.
O botão “Olho” foi escolhido para a câmera que circunda ao redor dos dados,
como se o espectador estivesse segurando o dado nas suas próprias mãos, observando-o
de diferentes ângulos;
O botão “Asa” foi adotado para a câmera fly through (vôo livre) devido à sensação
que o uso desta implica – o usuário tem a mesma liberdade que um pássaro – pode voar
para qualquer lado em qualquer angulação, com bastante liberdade;
O botão “Óculos” foi produzido com base em uma foto de um óculos anaglifo
(vermelho e azul) e as cores já deixam bem claro que se trata de um óculos para
visualização em stereo, devido à disseminação desses óculos inclusive entre o público
infantil;
O botão “Eixos” também foi desenhado de forma à deixá-lo o mais intuitivo
possível, usando como referência o layout dos botões de eixos do próprio Paraview.
Na página a seguir, segue uma figura estendida da interface, de forma a mostrar
todos os seus detalhes.
70
71
Figura 48 – Visão geral da interface final em funcionamento.
CAPÍTULO 6
RESULTADOS
Neste capítulo serão descritos os resultados dos diferentes testes realizados com a
visualizador de dados tridimensionais, em diferentes fases de seu desenvolvimento.
6.2 – Teste 1
Durante o evento PRH-ANP 10 Anos (evento de comemoração de 10 anos da
formação do Programa de Recursos Humanos da ANP), em Setembro de 2009, no Bloco A
do Centro de Tecnologia da UFRJ, no Rio de Janeiro, o visualizador teve o seu segundo
layout (descrito no capítulo anterior) utilizado para testes de campo no estande do PRH-02.
Para este teste utilizou-se a TV Touch Screen Panasonic de 42” descrita
anteriormente neste trabalho. Ela possui apenas um toque e simula o uso de um mouse
comum.
Figura 49 – Foto capturada durante o evento PRH-ANP 10 Anos com usuário interagindo
com o visualizador tridimensional.
72
Para que o visualizador funcionasse apropriadamente com a TV Touch, alguns
ajustes tiveram de ser feitos, como a velocidade de resposta do mouse.
Uma vez que a resposta quanto ao toque na tela da TV era muito alta, o aplicativo
girava em uma velocidade incrível, prejudicando a visualização. Para minorar este efeito, a
programação do visualizador teve de ser alterada, aplicando uma grande redução na
velocidade de resposta do mouse. Sendo assim, quando o usuário utilizava a tela touch,
obtinha-se uma resposta normal, com o aplicativo funcionando em uma velocidade
aceitável.
Outro ajuste que teve de ser feito foi quanto o input para rotação dos dados.
Inicialmente previsto para funcionar com o botão direito do mouse, este teve que ser
alterado para o botão esquerdo, pois a tela touch reconhece apenas um toque. Isso
prejudicou um pouco a visualização, pois sempre que o usuário tentava clicar no checkbox
com os dados, o dado acabava sendo rotacionado ao mesmo tempo. Apesar deste
contratempo, a possibilidade de interação com as mãos, sem nenhum outro dispositivo
atraiu a atenção de muitas pessoas que passaram pelo evento, criando uma experiência
favorável com o público.
6.3 – Teste 2
Este teste também foi realizado com o layout 2 do visualizador, porém utilizando o
joystick sem fio como interface de entrada de dados. Este teste foi realizado durante a
defesa de um artigo referente a esta dissertação, apresentado no 30º CILAMCE, ocorrido
em Novembro de 2009, em Búzios, Rio de Janeiro [41].
O uso do joystick chamou muita atenção, principalmente pois os pesquisadores
presentes na platéia durante a demonstração pertenciam à área de Modelagem
Computacional Ambiental e ficaram surpresos com a qualidade da visualização e suas
possibilidades de interação.
Porém, nehum membro da platéia se prontificou a utilizar o controle, quando
oferecido.
6.4 – Teste 3
Este teste foi realizado durante o evento DEFENCIL – 5º Seminário Internacional
de Defesa Civil, também ocorrido em Novembro de 2009, no bairro Anhembi, São Paulo. O
tema deste evento foi o mapeamento de áreas de risco, assim a Petrobrás cedeu uma área
do seu estande para o NUMA – LAMCE apresentar suas propostas e exibir o visualizador
de dados tridimensionais.
73
Para este evento, foi utilizada uma versão do visualizador que operava tanto na
tela touch como no joystick sem fio.
Figura 50 – foto do evento mostrando o stand da Petrobrás, com seta destacando a TV
Touch utilizada pela equipe do NUMA-LAMCE.
Contudo, ao fornecer as duas opções de interação, o público optou sempre pela
tela touch. Ainda assim, um aviso dizendo “Tela Touch – clique para interagir” teve de ser
pendurado ao lado da TV para chamar a atenção do público.
74
CAPÍTULO 7
CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS
7.1 – Conclusão
O visualizador obteve resultados satisfatórios, alcançando todos os objetivos
esperados. Ele possibilita a visualização dos dados tridimensionais referentes à modelagem
computacional ambiental em real-time, provendo maior interatividade comparado a gráficos
bidimensionais e facilitando a difusão dos dados científicos. Ele congrega dados transientes
e não transientes, ocupa um espaço em disco reduzido - apenas trinta e cinco megabytes
(35MB) - facilitando sua portabilidade (pode ser facilmente transportado em um pen drive) e
disponibilização online (através do download do executável), além de servir como base para
todos os resultados de modelos computacionais ambientais gerados pela equipe do NUMALAMCE.
Apesar dos computadores estarem cada vez mais potentes, suportando dados
muito mais complexos, o escopo desta dissertação focou em criar um produto que
funcionasse tanto em computadores de baixo desempenho quanto em máquinas com
excelente hardware, permitindo a difusão do visualizador.
Com relação aos testes realizados, os resultados foram positivos em relação ao
produto, necessitando apenas de correções no que diz respeito à interface gráfica,
problema este que foi sanado na versão final do visualizador.
Cabe ressaltar que a metodologia empregada neste trabalho pode ser expandida
para qualquer tipo de dado científico, não somente dados ambientais, mas também dados
relacionados a medicina, dutos, engenharia naval, dentre outros. A capacidade das engines
de visualização tridimensional em tempo real tem crescido vertiginosamente nas últimas
décadas, permitindo gráficos cada vez mais detalhados e próximos da realidade. A função
deste trabalho foi aproveitar a capacidade que essas engines oferecem para criar um
visualizador de dados científicos tridimensionais portátil, interativo e em stereo.
7.2 – Implementações futuras
Pretende-se disponibilizar o visualizador na internet de forma interativa, dentro do
próprio site do NUMA-LAMCE e divulgá-la no meio acadêmico, para que outros
profissionais contribuam com dados para alimentá-la.
Caso esta estratégia funcione, a programação do visualizador será alterada para
que funcione como cliente e servidor: os usuários baixariam uma versão cliente do
75
programa e os dados extras ficariam em um banco de dados online (servidor), que a versão
cliente poderia acessar, funcionando da mesma forma que o Google Earth.
Serão realizadas interações com os usuário finais do visualizador, de forma a aferir
a qualidade do visualizador.
Como objetivo chave, pretende-se diminuir o grau de comprometimento de
ferramentas para pré-processar os dados - reduzir a quantidade de etapas do tratamento
dos dados.
Também se estuda a possibilidade de visualização de geometrias transientes
(água se chocando com uma coluna, por exemplo), algo que é perfeitamente possível na
engine utilizada, porém não foi estudado neste trabalho, uma vez que os dados do NUMALAMCE não continham geometrias transientes não-estruturadas.
Outra proposta de implementação futura é a de projetar a grade batimétrica e todos
os dados em projeção esférica, garantindo uma visualização do planeta Terra mais próxima
da realidade, semelhante ao Google Earth.
76
APÊNDICE
Rotina em FORTRAN
PROGRAM SIG2Z2VTK
PARAMETER(IM=289,JM=193,KB=30,KZ=19)
real NZ(KZ),ZZ(KB),H(IM,JM),FSM(IM,JM),TLEV(IM,JM)
real xgrid(im,jm),ygrid(im,jm),dxgrid(im,jm),dygrid(im,jm)
real dx(im,jm),dy(im,jm),latmed,exvert
real T(IM,JM,KB),S(IM,JM,KB),V(IM,JM,KB),U(IM,JM,KB)
real SZ(IM,JM,KZ),VZ(IM,JM,KZ),TZ(IM,JM,KZ),UZ(IM,JM,KZ)
integer irec30,irec31,irec32,irec33,irec40,irec41,irec42,irec43
integer ptcont,pto(im,jm,kz)
character*4 param
c
Arquivos binários com os campos de interesse
OPEN(UNIT=30,FILE='TTano_campsant.bin',FORM='UNFORMATTED',
1
ACCESS='DIRECT',RECL=IM*1)
OPEN(UNIT=31,FILE='SSano_campsant.bin',FORM='UNFORMATTED',
1
OPEN(UNIT=32,FILE='UUano_campsant.bin',FORM='UNFORMATTED',
1
OPEN(UNIT=33,FILE='VVano_campsant.bin',FORM='UNFORMATTED',
1
c
Arquivo com a batimetria
OPEN(55,FILE='batgau_prev_campsant.dat')
c
Arquivo de saída para o paraview
OPEN(1,FILE='bat_campsant.vtk')
c
Arquivos de latitude e longitude
open(2,file='xgrid_prev_campsant.dat')
open(3,file='ygrid_prev_campsant.dat')
77
C**********************************************************************
param='TEMP'
c
Niveis sigma
data ZZ/-0.001,-0.004,-0.007,-0.015,-0.030,-0.060,-0.100,-0.140,
c
$
-0.180,-0.220,-0.260,-0.300,-0.340,-0.380,-0.420,-0.460,
$
-0.500,-0.540,-0.580,-0.620,-0.660,-0.700,-0.740,-0.780,
$
-0.820,-0.860,-0.900,-0.940,-0.980,-1.020/
Niveis Z de interesse
data nz/0.,-10.,-20.,-50.,-100.,-150.,-200.,-300.,-400.,-500.,
$
-750.,-1000.,-1250.,-1500.,-2000.,-2500.,-3000.,-4000.,
$
-5000./
C**********************************************************************
pi=atan(1.e0)*4.e0
! PI
do j=1,jm
READ(2,50) (dx(i,j),i=1,im)
READ(3,50) (dy(i,j),i=1,im)
ENDDO
50 format(289(1x,e15.7))
DO J=1,JM
READ(55,*)(H(I,J),I=1,IM)
END DO
tbias=10.
sbias=35.
excess=1.
DO 30 J=1,JM
DO 30 I=1,IM
78
FSM(I,J)=1.E0
IF(H(I,J).GT.EXCESS) GO TO 30
FSM(I,J)=0.E0
30 CONTINUE
c
Leitura dos dados
irec30=1
irec31=1
irec32=1
irec33=1
DO K=1,Kb
DO J=1,JM
READ(30,REC=IREC30) (T(I,J,K),I=1,IM)
IREC30=IREC30+1
END DO
END DO
DO K=1,Kb
DO J=1,JM
READ(31,REC=IREC31) (S(I,J,K),I=1,IM)
IREC31=IREC31+1
END DO
END DO
DO K=1,Kb
DO J=1,JM
READ(32,REC=IREC32) (U(I,J,K),I=1,IM)
IREC32=IREC32+1
END DO
END DO
DO K=1,Kb
DO J=1,JM
READ(33,REC=IREC33) (V(I,J,K),I=1,IM)
IREC33=IREC33+1
END DO
END DO
DO K=1,Kb
79
DO J=1,JM
DO I=1,IM
T(I,J,K)=T(I,J,K)+TBIAS
S(I,J,K)=S(I,J,K)+SBIAS
ENDDO
ENDDO
ENDDO
DO K=1,Kb
DO J=1,JM
T(1,j,k)=T(2,j,k)
T(im,j,k)=T(im-1,j,k)
S(1,j,k)=S(2,j,k)
S(im,j,k)=S(im-1,j,k)
U(1,j,k)=U(2,j,k)
U(im,j,k)=U(im-1,j,k)
V(1,j,k)=V(2,j,k)
V(im,j,k)=V(im-1,j,k)
ENDDO
ENDDO
DO K=1,Kb
DO I=1,IM
T(i,jm,k)=T(i,jm-1,k)
S(i,jm,k)=S(i,jm-1,k)
U(i,jm,k)=U(i,jm-1,k)
V(i,jm,k)=V(i,jm-1,k)
ENDDO
ENDDO
C
Conversão de sigma para Z
c ZLEV eh o nivel z desejado
DO K=1,Kz
zlev=nz(k)
80
CALL SIGTOZ(ZZ,H,T,TLEV,ZLEV,FSM,IM,JM,KB)
do i=1,im
do j=1,jm
TZ(i,j,K)=TLEV(i,j)
end do
end do
CALL SIGTOZ(ZZ,H,S,TLEV,ZLEV,FSM,IM,JM,KB)
do i=1,im
do j=1,jm
SZ(i,j,K)=TLEV(i,j)
end do
end do
CALL SIGTOZ(ZZ,H,V,TLEV,ZLEV,FSM,IM,JM,KB)
do i=1,im
do j=1,jm
VZ(i,j,K)=TLEV(i,j)
end do
end do
CALL SIGTOZ(ZZ,H,U,TLEV,ZLEV,FSM,IM,JM,KB)
do i=1,im
do j=1,jm
UZ(i,j,K)=TLEV(i,j)
end do
end do
END DO
C flags para a batimetria
DO K=1,Kz
DO J=1,JM
DO I=1,IM
IF(H(I,J).LE.1.01.or.h(i,j).le.abs(nz(k))) THEN
81
c
SZ(I,J,K)=-9999.
c
VZ(I,J,K)=-9999.
c
UZ(I,J,K)=-9999.
c
TZ(I,J,K)=-9999.
SZ(I,J,K)=0.
VZ(I,J,K)=0.
UZ(I,J,K)=0.
TZ(I,J,K)=0.
END IF
END DO
END DO
END DO
c
Escrevendo o vtk
write(1,1) '# vtk DataFile Version 2.0'
write(1,2) 'grva/lamce/coppe/ufrj'
write(1,3) 'ASCII'
write(1,4) 'DATASET RECTILINEAR_GRID'
write(1,5) 'DIMENSIONS',im,jm,1
c
write(1,5) 'DIMENSIONS',im,jm,kz
exvert=0.0005
write(1,6) 'X_COORDINATES',im,'float'
write(1,7) (dx(i,1),i=1,im)
write(1,6) 'Y_COORDINATES',jm,'float'
write(1,8) (dy(1,j),j=1,jm)
c
write(1,6) 'Z_COORDINATES',kz,'float'
write(1,6) 'Z_COORDINATES',1,'float'
c
write(1,9) (nz(k),k=1,kz)
write(1,9) nz(1)
c
write(1,10) 'POINT_DATA',im*jm*kz
write(1,10) 'POINT_DATA',im*jm
write(1,11) 'SCALARS',param,'float',1
write(1,12) 'LOOKUP_TABLE default'
82
c
do k=1,kz
c
do j=1,jm
c
write(1,14) (TZ(i,j,k), i=1,im)
c
enddo
c
enddo
do j=1,jm
write(1,20) (-h(i,j)*exvert,i=1,im)
enddo
1 format(A26)
2 format(A21)
3 format(A5)
4 format(A24)
5 format(A10,3(x,I3))
6 format(A13,x,(I3,x),A5)
7 format(289(e15.8,x))
8 format(193(e15.8,x))
c
9 format(19(e15.8,x))
9 format(e15.8,x)
10 format(A10,I8)
11 format(A7,x,A4,x,A5,x,I1)
12 format(A20)
c 14 format(289(f6.2,x))
20 format(289(f7.4,x))
END
SUBROUTINE SIGTOZ(ZZ,H,T,TLEV,ZLEV,FSM,IM,JM,KB)
C------------------------------------------------------------------C
THIS ROUTINE LINERLY INTERPOLATES TLEV AT THE LEVEL,
C
ZLEV, FROM T LOCATED ON SIGMA LEVELS, ZZ.
C
ZLEV AND ZZ ARE NEGATIVE QUANTITIES.
C
A SEARCH IS MADE TO FIND ZZ(K)*H AND ZZ(K+1)*H WHICH
C
BRACKETS ZLEV; THEN THE INTERPOLATION IS MADE.
83
C
IN THE REGION < 0 and > ZZ(1) AND, IN THE REGION,
C
< ZZ(KB-1) and > -1, DATA IS EXTRAPOLATED.
C
NOTE THAT A NEW MASK ,FSM, IS CREATED.
C
C
THE VALUES OF H SUPPLIED TO THIS SUBROUTINE SHOULD BE
C
APPROPRIATE TO THE VARIABLE T. FOR EXAMPLE, IF T IS THE
C
X-COMPONENT OF VELOCITY, H SHOULD THE AVERAGE OF DEPTH
C
AT I AND I-1.
C------------------------------------------------------------------DIMENSION ZZ(KB),H(IM,JM),T(IM,JM,KB),TLEV(IM,JM),FSM(IM,JM)
C
DO 200 J=2,JM-1
DO 200 I=2,IM-1
IF(ZLEV.GT.ZZ(1)*H(I,J)) THEN
K=1
TLEV(I,J)=T(I,J,K)+(ZLEV-ZZ(K)*H(I,J))
1
*(T(I,J,K+1)-T(I,J,K))/((ZZ(K+1)-ZZ(K))*H(I,J))
GO TO 200
FSM(I,J)=1.
ENDIF
K=1
100 CONTINUE
C
C
IF(ZLEV.LE.(ZZ(K)*H(I,J)).AND.ZLEV.GE.(ZZ(K+1)*H(I,J))) THEN
TLEV(I,J)=T(I,J,K)+(ZLEV-ZZ(K)*H(I,J))
1
*(T(I,J,K+1)-T(I,J,K))/((ZZ(K+1)-ZZ(K))*H(I,J))
FSM(I,J)=1.
GO TO 200
ELSE
K=K+1
IF(K.LT.(KB-1)) GO TO 100
ENDIF
IF(ZLEV.LE.(ZZ(K)*H(I,J)).AND.ZLEV.GE.(-H(I,J))) THEN
TLEV(I,J)=T(I,J,K-1)+(ZLEV-ZZ(K-1)*H(I,J))
1
*(T(I,J,K)-T(I,J,K-1))/((ZZ(K)-ZZ(K-1))*H(I,J))
84
FSM(I,J)=1.
ENDIF
200 CONTINUE
RETURN
END
C
85
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- Núcleo de Modelagem Ambiental (NUMA)

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